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CALCULO Y DISEÑO DE MONOFÁSICO UN TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITILO DE "INGENIERO ELÉCTRICO11 ESPEGIALIZACION "POTENCIA" DE LA ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL CALCULO Y DISEÑO DE UN - MONOFÁSICO TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN ROQUE R. RODRÍGUEZ ROJAS Quito., Marzo 1976 Certifico que la presente Tesis fue elaborada por el Señor Roque Rodriguez Rojas, bajo mi dirección Ing. Raúl Recalde DIRECTOR DE TESIS INTRODUCCIÓN Como culminación a mis estudios de Ingeniería Eléctrica, he creído conveniente realizar el presente trabajo de Diseño un Transformador Monofásico, el cual se presta para una de aplicación directa de mis conocimientos y cuya utilización futura en la Elec - ^ trificación Rural del País es " evidente si se llegare a la coas truc c'ión e n serie d e transformadores. . . . Por este motivo debo señalar que todo el diseño del Trans_ • f orinad or ' estará de -acuerdo a las características eléctricas de los sistemas existentes en el País, Este trabajo no tiene como fin principal el exponer un estudio de los fundamentos y comportamiento eléctrico de. un transformador, sino de establec-er un método de diseño práctico que puede servir de guía para otros transformadores. Para lograr este diseño se han consultado textos y catá- logos que contienen varios métodos y criterios ya utilizados en .la industria eléctrica, así como las distintas normas que pued.en .ser aplicables en el País y bajo las cuales se realiza el diseño. Esta Tesis comprende cinco capítulos principales. primero se establecen las dor como son: En el características básicas del transforma- . Potencia, Tensiones de Servicio, Montaje, etc; el segundo capítulo y considerando lo establecido en el capítulo anterior, contiene los criteri.os y valores que debe reunir el Transfo_r mador en lo referente a pérdidas, aislación } refrigeración, impedan cía 3 es decir se establece el método de diseño. En el tercer capítulo se pasa a determinar los materiales magnéticos y mecánicos, así como los distintos elementos y acceso rios que, estén de acuerdo a los valores de diseño ya establecidos. VI En el cuarto capitulo consta el proceso de cálculo y diseño propiamente dicho del transformador siguiendo el método indicado en el segundo capitulo. Finalmente en el quinto, se indican los detalles y procesos constructivos que guiarán una posible fabricación del transformador. A más del trabajo realizado, sugeriría la continuación del mismo, con la determinación de los costos y factibilidad económica para la fabricación en serie del Transformador en. el País, consideran, do la demanda existente, costo de importación de materiales y diver sos factores ;que intervienen en dicha construcción. Otro aspecto que se derivaría de esta Tesis es la optimización deren del diseño, empleando programas de computación en que se consia más de los criterios eléctricos los costos y empleo de mate- riales.y pérdidas de potencia que influyen en la construcción del Trans formador. Para finalizar, hago extensivo mis agradecimientos a todas las personas e Instituciones que directa o indirectamente colabora ron en la realización de la presente Tesis. Roque R. Rodríguez Rojas Marzo, 1976 ÍNDICE GENERAL Página INTRODUCCIÓN V I CARACTERÍSTICAS DEL TRANSÍ1 ORMÁDOR A DISEÑAR 1.1 General 1.2 Sistema de Distribución Adoptado por INECEL 1.3 Tensiones 1.4 Potencia 3 1.5 Montaje e instalación 4 '1.6 Características constructivas 5 1.7 Especificaciones II .CRITERIOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO ^' 2.1 General 2.2 Aislamiento Eléctrico •2.2.1 1 / 2 • 3 ' .' 7 9 - ' Aislamientos y Distancias • 9 14 2.3 Núcleo y Devanados . " 19 2.3.1 Diseño del núcleo 19 2.3.2 Diseño de los devanados 23 2.4 Pérdidas en el hierro y en cobre, rendimiento 25 2.4.1 Rendimiento del transformador 26 2.4.2 Clasificación de las pérdidas en los transformadores ' pérdidas 2 • ' 7 2.4.3 Evaluación de las 2.5 Calentamiento y Refrigeración 2.5.1 Refrigeración 2.5.2 Calentamiento 2.5-3 Factores que afectan al calentamiento 2.6 Impedancia en el transformador 36 2.6.1 Reactancia de dispersión 36 2.6.2 Resistencia de los devanados 39 2.6.3 Valor de la impedancia del transformador 40 , -- ' 28 ' 3 1 ' • . . . 32 3 2 33 VIII Página 2.7 Esfuerzos Mecánicos en cortocircuito • . 2.8 Protección del Transformador III CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES A EMPLEARSE 3.1 General 3.2 Materiales Magnéticos, 3.3 Conductor 3.4 Materiales Aislantes 3.5 Accesorios 3.6 Conmutador o Cambiador de "taps" IV . DISECO FINAL DEL TRANSFORMADOR 4.1 General 4.2 Circuito Magnético: 4.3 Diseño de los devanados 4.4 Cálculo y comprobación de .las características .• 40 44' . . 48 hierro ' . - 49 55 62 , .67 72 - '76 Diseño del "Núcleo 76 80 y constantes del transformador 101 4.5. Esfuerzos mecánicos en cortocircuito 108 4.6 Pérdidas y refrigeración: 112 4.6.1 Diseño del tanque 4.6.2 Cálculo del calentamiento 4.6.3 Sobrecargas Temporales 4.6.4 Determinación del grosor de la chapa y peso diseño del tanque . 112 114 . 122 del tanque 123 4.6.5 Determinación del volumen y peso del .aceite 124 4.7 Conexiones: conmutador., devanados de alta y baja tensión, "bushí-ngs", polaridad 4.8 ' 125 Sujeción' del núcleo', de devanados 'y cambiador de "taps11 129 IX Página V DETALLES CONSTRUCTIVOS DEL TRANSFORMADOR 5.1 General 5.2 De los Devanados 5.3 Del Núcleo 5.4 De los Accesorios: ' 133 , 133 . cambiador de ' 134 T 1 taps" 3 "bushings" 136 5.5 Del Tanque 5.6 Resumen de características del Transformador APÉNDICE • I 137 137 ' •Cálculo, de la Reactancia de dispersión \E 141 - II Pruebas en Transformadores, realizables en el Laboratorio de Alta Tensión de la Escuela Politécnica Nacional APÉNDICE III 145 . Planos de diseño del Transformador ÍNDICE DE REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA ' 152 . ' . ' • '160 ' 161 . X ÍNDICE DE FIGURAS I Página 1..1 Núcleo Enrrollado ' 6 2.1 Rigidez dieléctrica del aceite nuevo entre puntas, entre esferas 17 2-.2. Distancia n u _ o entre los devanados y el yugo 2.3 Distancia entre los devanados y la cuba 2.4 Relación de pérdidas para transformadores 17 18 normales : 3.1 Pérdidas en el núcleo 3.2 Magnetización de A.C. (Corriente Alterna) 3.3 Tensiones de ruptura de presspan (Kraft) en aceite • a 60°C. 26 53 - ' . 54 66 3.4 Equipo Accesorio para Transformadores Monofásicos 67 3.5 Cubierta.y Portezuela del Tanque 70 3.6 Sujeción de núcleo - devanados con cambiador de "taps" 3.7 ' ' Cambiador de derivaciones para transformador de distribución 4.1 4.2 72 Conjunto de devanados 74 -• • 85 • Rigidez dieléctrica del acetal - polivinilo para hilosj medida entre conductores (a base del catálogo _Aismalibar) 4.3 Rigidez dieléctrica de presspan (transformerboard) en aceite 4.4 (weidmanrx) 91 X = Relación de incrementos de temperatura Tope/Promedio en el aceite en función 118 razones de dimensiones 4.5 Gradiente de Temperatura media entre el cobre y aceite 120 ÍNDICE DE TABLAS Página 2.1 . Clasificación de las pérdidas para el cálculo 2.2 Sobrecargas temporales admisibles para transformadores en aceite 2.'3 35 Valores del 2.5 Cajas Portafusibles Abiertas ' factor "a" ' 2.4 • . 36 • 46 Limites máximos de pérdidas en el núcleo 50 3.2 Espesor del alambre de cobre desnudo 58 3.3 Ancho del alambre de cobre desnudo 58 3.4 . Aumento de dimensiones debido a la adición 3.5. \I 34 (£„) Máximo promedio permisible en la temperatura de los devanados 3.1 27 de esmalte' 59 Diámetro exterior máximo del alambre 60 ' esmaltado y aumento mínimo 'por adición de • esmalte 3.6 Dimensiones y Tolerancias del alambre desnudo 61 3.7 Tensión de perforación del esmalte 59 4.1 Características dieléctricas de los aislantes para Transformadores . '92 •• • • xii ÍNDICE DE CUADROS Página 5.1 Especificaciones Técnicas 138 .,2 Características Constructivas . 139 5.3 Proceso de la Construcción de un Transformador . 140 1.1.-- General Como el objeto de la presente Tesis es el diseño de un trans_ forraador que pueda ser utilizado en .distribución rural, suburbana incluso en áreas periféricas de las grandes ciudades; e las caracterís- ticas del transformador deben ser las solicitadas por INECEL en sus - licitaciones para el aprovisionamiento de Transformadores Tipo Monofásico. Las características del transformador en cuanto a tensión . potencia, tipo, montaje e instalación, características constructivas y otras que se exponen a continuación en este capítulo, han sido determinadas en base a un estudio del sistema dé distribución adoptado por INECEL, complementado con características normales de diseño que se em plean comunmente para este tipo de transformador en la industria e lee trica, - . . La licitación de Agosto de 1973, para el suministro de trans_ formadores monofásicos de acuerdo al programa de Electrificación Rural INECEL - USAID, expresa en la parte III que; "Especificaciones Técnicas" - "los transformadores deberán satisfacer los requerimientos cuanto a fabricación y pruebas de las "normas mas recientes, en en lo que sean aplicables., que se indican a continuación: .ANSÍ: NEMA: American National Standard Institute National Electrical Manufacturers o de las equivalencias' de estas normas en vigencia en el país de fa- bricación", para el caso de nuestro país, se pueden aplicar las normas anteriormente citadas y de preferencia .las normas generales misión Electrotécnica Internacional de JLa Co (CEI) , b a j o las cuales se realizan las pruebas de transformadores en el Laboratorio de Alta Tensión . d e la Escuela Politécnica Nacional. 1.2,- Sistema de Distribución adoptado' por INECEL ". El Instituto Ecuatoriano de Electrificación INECEL, luego de estudios de optimización técnica y económica, ha establecido un sistema normalizado de distribución para la zona urbana, suburbana y rural del pais, que .tiene las siguientes características principales: La -distribución- es aérea, trifásica, con la red primaria a 13.200 Grd. y / 7 . 6 2 0 Volt, y la red secundaria a 240/120 Volt, el neu- tro es común a b a j a y alta y va conectado sólidamente a tierra a largo de su recorrido en varias estructuras. lo . . Eventualmente se emplea para distribución a centros pobla - dos alejados y no importantes, una fase y neutro corrido conectado a tierra en varios puntos. En el diagrama siguiente se presenta un esquema del sistema \- de distribución normal incluida la conexión de un transformador mono fásico en él: S/E Transformodor de 13.2 KV rrm Principal 240 V S ubes taclon 120 V Transformodor DIAGRAMA 1.1. de Distribución -3- 1-3,- .Tensiones De acuerdo a los valores de tensión del sistema normalizado de dis.tribución nacional para e l - q u e se prevé el transformador a dis_e ñar y en base a los valores comunes adoptados por la industria eléc trica, las tensiones de diseño del transformador son: en el lado de alta tensión: tensión de fases 13.200 Volts, 7.620 Volts, tensión-fase neutro en el lado de baja tensión: 1.4.- tensión entre las dos fases 240. Volts.. tensión fase neutro 120 Volts. Potencia • • Las potencias de transformadores que se presentan con mayor frecuencia en el sistema nacional de distribución, de acuerdo a los requerimientos señalados por IWECEL. son las siguientes: Transformadores Completamente Autoprotegidos (CSP) Potencias: ' 50 37,5 KVA KVA Transformadores Tipo Convencional Potencias: 25 -. KVA 15 KVA 10 KVA 5 KVA " -4- Con el fin de adoptar una potencia de diseño, el valor pro- • medio de las potencias anteriores que corresponde a 25 KVA sirve muy bien para este propósito, ya que es una potencia qué se presenta con mayor frecuencia a más de la zona rural, en la zona suburbana y peri- ( férica de ciudades; <• además, al establecerse el proceso de diseño de este transformador se lo puede aplicar correctamente a los disertos de menor potencia y a los de mayor potencia con ligeras modificaciones en cuanto a refrigeración. .• El transformador a diseñarse es el convencional ya que comprende todos los aspectos básicos de diseño, señalando que un trans formador Completamente Áutoprotegido es un Convencional con ciertos elementos adicionales necesarios para su protección contra tensiones de impulso, sobrecargas y cortocircuitos, que vienen incorporados, en •é l . 1.5.- . - . , . . . ' Móntale e Instalación. De acuerdo a los requerimientos de transformadores en dis tribución rural, éstos serán monofásicos, sumergidos en aceite, autoenfriados, para instalación a la intemperie y montaje directo en pos- te. El transformador se conectará -entre fase y _ n e u t r o de la linea primaria, para lo cual consta de un "bushing11 en el lado de alta tensión; la linea secundaria está conectada sólidamente a los termina - les del transformador por medio de tres "busbings" que posee conectores apropiados para conductores de aluminio. El- diseño del transformador se enfocará al tipo oonvenoional para distribución aérea, con cambiador de derivaciones o "taps" que opere en condiciones desenergizadas o sin tensión y a los KVA nominales . -5• La protección del transformador convencional contra tensiones de .impulso y maniobra., contra sobrecargas y cortocircuitos se re_a liza generalmente por medio de dos elementos: Interruptores en'alta'"Fuse Cut-- Out"; Pararrayos y Fusibles las características de esta protección y de los elementos apropiados para este transformador señalan en el Capítulo III. se. • . • •-• 1.6.- Características Constructivas En la industria eléctrica se conocen en general dos formas de núcleo, el acorazado y el no acorazado; el transformador con nú - cleo no acorazado presenta una longitud media del hierro mayor y de las espiras menor, la sección recta de hierro es menor y por tanto el número de espiras será mayor; la lo - este núcleo se adapta.mejor - para altas tensiones ya que la superficie a aislarse es más reducida; en el núcleo acorazado las espiras quedan mas sujetas, por lo que i es mas resistente a esfuerzos de cortocircuito, además el devanado secun dario se dispone junto al hierro evitándose asi el aislamiento de alta tensión. , - ' - El método antiguo de recortar y acoplar las chapas a los devanados ya construidos tiene la desventaja d'el costo de estampado de las chapas, debido al desperdicio de material y al tiempo de trabajo en acoplarlas, además se presenta reluctancia magnética en juntas y no es un núcleo mecánicamente rígido; las por todo'esto y ade- más con la producción de acero al silicio de grano orientado laminado en frío, que .exige que la dirección del flujo sea siempre la misma que la del grano, se ha difundido hoy día la construcción de núcleos arrollados, es así como, la .Company", "Westinghouse Electric Corporation11 y la Wagner Electric - Corporation" núcleos. "General Electric Company",irLíne Material han desarrollado- métodos para la fabricación de estos - -6Para que exista la posibilidad de una producción•en serie, con las técnicas actuales, el transformador será de núcleo -acorazado, forma rectangular, con dos secciones enrrólladas alrededor de los devanados, como se observa en la figura 1,10 • " í'ig. 1.1. ' . .Núcleo Enrrollado Con este tipo de núcleo enrrollado se consigue una gran capacidad para resistir esfuerzos de cortocircuito, una excelente-rapar tición de tensión que lo hace-resistente a sobrevoltaj.es, menores per didas, elevada capacidad de sobrecarga por su refrigeración y una reducción en el p-eso y tamaño comparado con el núcleo convencional. . Como consecuencia del núcleo enrrollado el devanado empleado será de forma concéntrica rectangular, ligeramente ovalado y si guiendo la disposición baja-alta-baja, con esto y el -empleo de pape -. les aislantes con cemento epóxico en su superficie, s.e 1-ogra un deva- nado .-unitario muy sólido, pequeño, liviano y con una alta resistencia a los esfuerzos de cortocircuito; ' la disposición de los devanados baja-alta-baja, se la hace con el fin de reducir el f l u j o de disper sión y conseguir una menor impedancia del transformador; la forma ovalada es explicable-ya que evita mayores.deformaciones por esfuer zos de cortocircuito -7- 1.7.- Especificaciones En resumen, según lo anotado por INECEL, el transformador a diseñar para s-ervicio en distribución rural tendrá las siguientes características generales: Tipo Distribución Número de fases Monofásico Tipo de enfriamiento. Autoenfriado en aceite Capacidad de régimen continuo A Frecuencia 60 Tensión Primaria 13.200 Grd, Tensión Secundaria 240/120 Impedancia en. base a los KVA Alrededor de 1.000 M. s . n , m . , : 25 KVA Hz Y/7.620 V. V. 2% nominales de régimen continuo Clase de aislación e n ' e l lado de 15 KV (95 KV. BIL) alta tensión Derivaciones (taps) de plena ca- i 5°L y ± 2.57o de la tensión pacidad Sobreelevación media de la temp_e 65° C ratura de los devanados medida por resistencia Normas: . . Las características eléctricas y las pruebas de los transformadores se ajustarán a los requerimientos de la norma ANSÍ C 57.12 y NEMA TR 1 y TR 2 Los transformadores se suministrarán completos con los accesorios normales según la norma NEMA TR 2 o ANSÍ C 57. 12 C A P I T U L O II CRITERIOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO -9- 2.1.- General • Una vez establecidas las características generales del trans_ fórmador, en este capitulo se señalarán los criterios y métodos de d^i seño que estén de acuerdo o tengan su base en dichas caracteristicas. Varios de estos criterios constan en las normas eléctricas como la British Standards (B. S), las normas alemanas Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE), las normas generales de la Comisión Electrotécnica Internacional Institute (ANSÍ); (CEI), las normas del American National Standard de acuerdo a lo especificado por INECEL el diseño se realizará bajo las normas .ANSÍ o su equivalente, las normas generales CEI, estas últimas son las utilizadas por la Escuela Politécni ca Nacional en las pruebas de transformadores, cabe señalar .que no se trata de analizar lo reglamentado en las normas sino de aplicar las al diseño directamente. Como complemento a las normas generales CEI, se ha cónsul; tado diversos textos d'e bibliografía, de las cuales se extrajo las recomendaciones y criterios tanto eléctricos como mecánicos que usual ~ mente son utilizados por la industria eléctrica para sus 'disenos y que se basan en la experiencia de muchos años; • previo un análisis de los criterios existentes', los que se mencionan.-a continuación son los aplicables al presente diseño. 2.2.- Aislamiento Eléctrico Generalmente para transformadores de valor de tensión baja (13,8 KV) las dimensiones del aislamiento están determinadas mas por razones mecánicas o constructivas que dieléctricas-propiamente dichas, • lo que determina muchas veces un factor de seguridad elevado en este último aspecto; ya que las caracteristicas de fabricación e impregna cion no se las puede cifrar en cálculos, el dimensionamiento de los V -10- aislantes conserva todavía un carácter empírico, por lo cual no existe una regla fija para llevarlo a cabo., a pesar de. todo esto, se conoce que los factores que influyen en la rigidez dieléctrica del material aunque sin obedecer a una expresión analitica determinada, son los siguientes: a) el carácter de la tensión aplicada: los materiales poseen un distinto valor de rigidez dielec trica según la tensión sea alterna, continua, una onda de choque y de polaridad negativa o positiva. b) duración.de la aplicación _del voltaje: cuanto 'más cor.ta es la d_u ración del ensayo, mayor es la tensión que resiste el dieléctrico. c) la forma de los electrodos: debido a la presencia ya sea de aris..tas o vértices activos como de susta_n cias flotantes en el medio, es necesario tomar para el dimensionamieja to de'las distancias en aceite los resultados de pruebas entre puntas o entre punta y placa y no entre electrodos planos o esféricos. d) el grueso del aislamiento: si los dieléctricos-' están dispuestos en capas' paralelas en serie, el grueso de un determinado aislante • influye en el resto, por lo cual es neces_a rio realizar una comprobación da los dimensionamientos. e) la .temperatura: en términos generales, al pasar .de'20 a 100 G la rigidez de los aislamientos industriales se reduce en un 15 a 20%, sinembargo, muchas de las características- de los aislamientos .se proporciona a -50 - 60 C f) pérdidas dieléctricas -y frecuencia: en lo referente a las pérdi das dieléctricas dadas por- "Tg o " se hacen notorias'para transformadores de unos 750 KV; la frecuencia- no afecta en límites industriales • ' g) la constante dieléctrica: es importante ya que determina la repartí ción del campo eléctrico entre varios componentes en serie de un sistema de aislamiento y se la considerará el análisis de comprobación del aislamiento. en -11El aislamiento de un transformador según, la práctica eléc trica se diseña para soportar la tensión nominal de operación, la máxima tensión de falla y las tensiones probables de impulso. Debido a que las tensiones de impulso varian con la ubica ción del transformador en el sistema, las normas eléctricas han esta- . blecido un valor básico de tensión de impulso que depende de la ten sión de linea, este valor es un 10 a' 207° mayor que ,1a 'tensión de im .pulso más frecuente que puede alcanzar al transformador y que está dada por la tensión de descarga de los pararrayos. De igual manera en base a experiencias se estableció una re lación entre la rigidez del aislamiento a impulsos y la rigidez del aislamiento a tensión de frecuencia 60 ciclos durante un minuto; ha- llándose que la tensión de impulso es 2 veces la tensión de cresta . a frecuencia industrial. - En definitiva, el dimensionamiento del aislamiento se lo realizará para soportar la tensión de impulso y de. frecuencia indus trial, de acuerdo a las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional GEI 76, 7, 20 (Publicación 76, sección 7, número 20), trans - crita a continuación: ". . . . " . "Los niveles de aislamiento de devanados y partes bajo ten'sión para pruebas de impulso y tensión a frecuencia industrial- para transformadores sumergidos en aceite, son los anotados en la tabla VIII". Para la tensión del sistema que es de 13.8 KV; corresponden, según la tabla VIII, para una tensión máxima del sistema de 15.5 KV r.m.s. los siguientes valores; •' ' • • . • ' Tensión de prueba de impulso 95 KV' pico Tensión de prueba a frecuencia industrial 34 KV r.m.s. -- -12- "Estos valores son los comunmente utilizados en Norteamérica y son solamente aplicables al aislamiento interno de transformadores sumergidos en aceite 71 . Luego, según esta tabla, el nivel básico de aislamiento (BIL) será de 95 KV y la clase del aislamiento de 15 }5 KV. Los ensayos dieléctricos de transformadores determinan la aptitud de los materiales aislantes para soportar descargas disruptivas en condiciones de trabajo y son los que se transcriben de las normas GEI 16, 12t números: 43.- Prueba de sobretensión inducida no disruptiva "Se aplica una tensión alterna a los terminales de uno de los - devanados, de forma senoidal y frecuencia mayor que la nominal para limitar la corriente de excitación. El valor pico de la tensión de prueba inducida en el devanado de alta debe ser medido, este valor dividido por ^2* debe estar de acuerdo con el de la tabla VIII que es 34 KV r . m . s . , cuidando que la tensión entre diferentes partes del devanado no sobrepase dos veces el que aparece cuando se aplica la tensión nominal los terminales. a • La prueba dura un minuto y se inicia con 1/3 de la tensión de prueba, la frecuencia puede ser dos veces la nominal. Cualquier devanado uniformemente aislado debe ser puesto a tierra durante la prueba" 44.- • " • -• . " •? Prueba de tensión a frecuencia industrial no disruptiva de fuente separada "Se la r-ealiza con tensión alterna monofásica de forma senoidal y con frecuencia no menor al 80% de la nominal. -13El valor pico de ia tensión de prueba, medido y dividido por {2. debe ser el de la tabla VIII o sea 34 KV r . m . s . Igual que en la prueba anterior, la tensión se incrementara de_s_ de 1/3 de la tensión de prueba hasta el valor de la tabla VIII medido por el instrumento correspondiente. - . La tensión se aplicará por un minuto entre, el devanado b a j o prueba y el resto de devanados, núcleo, estructura y tanque del transformador,, conectados juntos y a tierra" 45.- Prueba a tensión de impulso de onda completa no disruptiva "Se aplica a un terminal del devanado a prueba; la onda es 1.2/50 tolerancias de + la forma .de Mseg como se define en la Norma CEI 60, con 30% -en duración de frente d:e ond-a y + 20% en el tiempo que alcanza el valor medio, la conexión del transformador al generador así como la puesta a tierra del devanado bajo prueba, y devanados que no están b a j o prueba se especifican en GEI 60, además se deben retirar los explosores ai existiesen. La tensión de prueba será de polaridad el especificado en la tabla VIII negativa, el valor pico y se aplicarán dos ondas com- pletas sucesivas. Se .nota la falla del aislamiento si: a) Se observa en oscilógrafos variación de la forma de onda b) Ruido notorio dentro del transformador en la prueba" 46.- Prueba de tensión de impulso con onda cortada. ' '.' "Esta prueba se'realizará solo si desea el comprador y como una adición a las pruebas de onda completa, se aplicarán dos ondas cortadas al terminal de prueba. El valor pico de la onda no debe ser menor al de onda completa y la tensión debe ser cortada a la cola de la onda., el tiempo •de esta onda cortada debe estar entre 2 y 6 fiseg entre el comienzo y el corte de la onda" En la práctica esta "onda cortada" es un 1570 mayor, que la onda completa y se descarga a tierra en 3 Hseg generalmente; esta prueba se la realiza actualmente en primer lugar que la onda completa para dar mayor seguridad al aislamiento y representa el caso de descargas de un pararrayos o aislador cerca al transformador, mien tras la onda completa representa el caso de ondas viajeras produci - • das por descargas sobre la linea a alguna distancia del transforma dor. Las sobretensiones que se'presentan por la operación de inte rruptores y que son de carác'ter oscilatorio en la práctica no _sobrepasan el 80% del nivel básico de impulso. \- El transformador tendrá el terminal neutro de los devanados sólidamente conectado: ' a tierra a través de una conexión que no po.sea impedancia adicional. 2.2.1. Aislamientos y distancias . Todos los aislamientos internos del transformador asi como' las distancias aislantes deben ser diseñadas para soportar la tensión de prueba a frecuencia industrial, que es de 34 r . m . s . y por lo tanto la tensión de impulso de 95 KV 5 sin presentar descargas disruptivas; en base a esto y conociendo que el transformador será acorazado cpn devanados concéntricos rectangulares y según la disposición.baja-Srltabajá, a continuación se señalan los criterios relativos a aislamiento y distancias: •15a) Aislamiento entre espiras.- En transformadores de distribución en aceite se utiliza en la actualidad el aislamiento de esmalte sintético, que proporciona un gran factor de es_ pació sin mengua de la seguridad de servicio ya que la tensión disrujD tiva entre conductores esmaltados sintéticos es muy alta si se consid_e ra el ligerisimo espesor de la pelicula aislante; como ejemplo se tie ne 3 según la tabla 3.6 que, la tensión de perforación de la doble capa de esmalte es de 1.000 voltios y su rigidez dieléctrica de unos 20 KV/mm., debido al número de espiras de los devanados soportaria inclusive las tensiones de prueba. Por la presencia de sobretensiones el aislamiento de las espiras de choque o entrada de la linea, según normas' B . S . 3 debe ser reforzado en aproximadamente un 3% del total de espiras- y de ellas una tercera.parte con el máximo aislamient.o, de acuerdo a curvas prácticas este criterio comienza a regir a partir de tensiones nominales.del- trans. formador. de b) 15 KV. Aislamiento entre capas.- La tensión máxima entre capas es igual al doble de la tensión inducida por es- pira multiplicada por el número de espiras por capa y el aislamiento, generalmente p a p e l , ' d e b e soportar esta tensión. Cuando un terminal de alta es repentinamente cargado o energizado eléctricamente por una tensión de impulso, la inductancia del devanado evita que esta carga o energía aplicada-fluya inmediatamente en él y si no fuera por la capacidad electrostática que existe entre los elementos del devanado, el terminal estarla cargado por un'tiempo -5 "relativamente largo" de 10 seg. " • . . * La existencia de las capacitancias electrostáticas, permite • que una parte de esta carga fluya a las otras partes del devanado, debido a esta distribución de la tensión las primeras capas cercanas a la linea son las más cargadas, por lo cual se las debe aislar para la tensión de prueba de impulso que según la norma debe ser él doble del valor básico de impulso ya que se aplican dos ondas seguidas. Si se produce la descarga de un pararrayos o aislador cerca al transformador, nuevamente se someterá a las espiras finales a una tensión de impulso de onda cortada que es un 15% mayor que la de onda como la prueba de onda cortada supone la aplicación de dos completa; ondas seguidas, se multiplicará la tensión de ensayo por un factor adicional de dos, para el diseño de las primeras tres o cuatro entrecapas del devanado de alta. c) Aislamiento entre el .núcleo y devanado de baja tensión.Como el arrollamiento de baja es de 120 - 240 Voltios, la distancia aislante al núcleo es sólo de paso para el fluido refrigerante y proporciona rigidez mecánica a los devanados; gene - raímente son barreras separadoras de 1,5 o 2 mm de grosor con un ra - \- dio de curvatura de 2 mm, lo que permite la circulación del refrige rante en dos de los lados del alma del núcleo. a) La distancia entre el devanado de alta y el yugo (n).La distancia entre el devanado de alta y el yugo en función de la tensión de linea, para transformadores en aceite está dada en la figura 2.2 (1) y se explica por las curvas normales de tensiones disruptivas entre esferas y especialmente entre puntas de la figura es de 34 KV 2.1 (1) r.m.s. para la tensión de prueba del transformador que o 00 C K a. o fu P » rt M ÍD fD c o P m O H. rt íü ro ro H» crc Distancias n u o (mm) H00 £} ( k V / m m «fie) -18e) Distancia entre los devanados de baja y alta.Esta distancia se diseñará para soportar el valor de la te_n sión de prueba a frecuencia industrial de fuente separada o'tensión aplicada, que es de 34 KV r.m.s., en el lado del devanado de.alta conectado a tierra. En el lado del terminal de alta conectado a la linea será conveniente que el aislamiento soporte el valor de la tensión de im pulso de onda completa multiplicado por un factor de seguridad de 1.5., que asegura el aislamiento para el caso de presentarse una onda corta .. - da. ' ' - ; Como existen los ductos de refrigeración en los extremos de los devanados, se deberá realizar el análisis correspondiente para d_e terminar si los espesores de los dieléctricos colocados en capas para lelas en serie, son los justos y no causan la perforación de uno de ellos. f) Distancia entre los devanados y la cuba.- Las 'distancias minimas < • ' la figura 2,3 (1) para v a l o r e s - d e - aconsejables constan en tensión de linea, estas distancias no permiten que se presenten descargas disruptivas para la tensión de prueba a frecuencia industrial, como puede observarse de los valores de la figura 2.1. 400 O 300 z. 100 O 20 40 60 80 !00 200 Tensión d e l i n e a K V Pig. 2.3 Distancia entre los devanados y la cuba -19- 2.3.- Múcleo y devanados 2.3.1 Diserto del núcleo • Para la construcción del núcleo el material empleado- será • el acero silicoso de grano orientado laminado en frió y p-ara su em pleo el f l u j o debe circular a lo largo del grano, razón por la cual s.e utiliza el núcleo enrrollado. La alta permeabilidad de' este acero y -el sistema zig -zag .de las juntas de laminaciones dan como .resultado tina reluctancia baja y por lo tanto una corriente de excitación minima y un b a j o ni. vel de ruidos. . El diseño del núcleo comprenderá los. siguientes pasos: a) Determinación del valor de trabajo de Inducción.Es criterio aceptado en la industria diseñar el transforma dor para un 'valor de inducción en Kgauss 1 , que corresponda al c o d o ' d e la curva de magnetización y que para el tipo de acero empleado oscila entre 16 - 17,5 Kgauss. b) Determinación de la sección efectiva del núcleo.Para esto se tomará en cuenta el criterio del factor de • forma jC, para núcleos acorazados de R. Kühn (2) _C es función inversa de la inducción y además a igualdad de esfuer- zo eléctrico, es proporcional a la relación de la sección a la'sección-total de metal del devanado primario; en la del núcleo expresión: (2.1) ' P C = ,/ • — /- . / 4,740\ - max 2 . . . -1/2 cm . julio i -20- reemplazando esta expresión, en la relación de la tensión inducida: (2.2) U pr = 4,44 . f . q /. . B ' , n .10 ef max pr (voltios) y si la potencia en el primario es: N pr = I .-U • pr pr se llega a: (2.3) donde: número de vueltas del primario pr inducción máxima en gauss max voltaje aplicado, en el primario, en voltios pr frecuencia en H sección efectiva en la columna central del núcleo en cm c) Determinación de las dimensiones del núcleo.- Para la determinación de las dimensiones se tomarán en cuenta los siguientes aspectos: 1 :_J 1 1 • -21- Según R. Kuhn (3) la b = anchura mínima "d" se consigue para 1,5 d. Para la determinación de la longitud media del camino mag- nético 1 3 se partirá de un valor comunmente aceptado en la indus h tria de corriente de magnetización para 25 KVA que es de 1,5.% la co- rriente nominal primaria. asi: (2.4) (A-v) = 2, 1 e£ donde: número de vueltas del primario , se obtiene de 2.2' pr (A-v) amperios vuelta por centimetro , se obtiene de la curva de e£ eficaces - magnetización del material en función de la inducción adoptada. conociendo que: (2.5) 1—*-- i ! = ~í ] 1 d ,j a 2 G+ 1 G • ,h además, para núcleos acorazados según -la ."Escuela del Técnico Electricista" (4) 3 la relación acostumbrad, acostumbrada de nará el ancho y altura de la ventana. _G a es de 3, asi se determi -22- d) Dimensionamiento final del núcleo.-- En base a los valores determi • nados anteriormente las dimen siones del núcleo serán: C E « K = 2- E + a C - 4 E+ 2 a 2 X factor espacio G 2 E y el número de chapas en el ancho del núcleo d / 2 : i •V qef/2 10; A = b = espesor de la chapa, en imn ancho de la chapa, en era. Otros detalles constructivos en cuanto a f o r m a ' y dimensiones del núcleo se especificarán en el capítulo de diseño e) Peso del hierro.- El peso de hierro está dado por la -expresión: (2.6) - 3 \ Fe = q n ,h . 10 donde: G* fe «ef - í 1h peso del hierro en Kg 2 sección efectiva del núcleo en cm peso específico del material en Kg/dm 3 longitud media del circuito magnético en cm. -23- 2.3.2 Diseño de los Devanados Según lo anotado en. el capitulo I, los devanados serán de tipo concéntrico rectangular siguiendo la disposición Baja-Alta-Baja. Para el dimensionamiento de los devanados se seguirá el si- guiente proceso. a) Determinación del número de espiras.- De la expresión 2.2 se deter; mina la relación voltio por espira para el primario y despreciando la caida de tensión en los de •vanados se obtiene el número de espiras en el secundariOj U N o * espiras en primario^ n i pr - U' / n pr p-r U No. espiras en secundario, n pr asi: sec sec U / n pr pr b) Densidad de corriente en-el devanado para núcleos acorazados.La densidad de corriente en el cobre está limitada por la' eficiencia y por la elevación'de la temperatura permisible , " Según John H. Kuhlmann (5) para transformadores de distribución'y pequeños de fuerza, autoenfriados 3 la densidad de corriente "</" varia 2 de 1.08 a 2.33 Amp/mm Para el diseño se asumirá el valor de o~ 2 3 33 Amp/m ; cono cido este valor y .la corriente nominal en cada devanado se obtiene .la sección de los conductores correspondientes. Cabe señalar que para el devanado de baja tensión" un conductor de sección circular resultaria inconveniente por sus dimensiones para la construcción,, luego en el diseño se empleará conductores de sección rectangular y si es necesario dos en paralelo. -24- c) Para la determinación del numero de capas, espiras por capa, longitud de la espira media y sección de los devanados entran en consideración las distancias y aislamientos convenientes según el literal 2.2.1; todo este dimensionamiento se lo realizará en el siguiente - capítulo que es el de diseño propiamente dicho. d) Peso.de los devanados.- El peso dé cada uno de los devanados vi_e ne dado por la expresión:- G = p "- x m x 1.000 donde: G peso del devanado en Kg p peso especifico del material en 3 Kg/dm número de espiras del devanado 2 sección del conductor en mm • 1 m . longitud de la espira media en metros .- Con este proceso se realizará un primer cálculo del núcleo y devanados i utilizando los criterios comunes y existentes en- la práctica de la industria eléctrica, este primer diseño deberá ser chequeado en cuanto a rendimiento y pérdidas para analizar si se obtienen valores semejan'tes a los ya establecidos_en la industria eléctrica, en caso contrario se deben variar las dimensiones del núcleo, buscando asi el diseño deal. i_ -25- 2.4 Pérdidas en el hierro y en el cobre, rendimiento Debido a que un transformador en general está destinado casi siempre a permanecer conectado sin interrupción a la linea, sus pérdidas adquieren una importancia notoria desde el punto de vista económico., en el que tiene gran importancia el diseño. El diseño óptimo será aquel en que, el costo total de opera ción del transformador durante su vida sea minimo y, el costo de la p_o tencia perdida, sea comparable a la inversión necesaria en diseño para limitar esas pérdidas y ganar en eficiencia. El transformador a diseñar deberá poseer según datos prácticos., un rendimiento a plena carga y evaluado a 75°G. de aproximadamejí te 98% con eos. f = 0.8 lo que nos -fij'aria un valor limite- en las pérd_i das totales. Considerando que se trata de un transformador de distribución y por lo tanto la mayor parte del tiempo estará funcionando c o n - c a r g a reducida a las pérdidas en el hierro adquieren gran importancia y se im pone el reducirlas lo más posible. . Según Kuhlmann (6) y según la'curva de la figura 2 . 5 , (7) que contiene datos prácticos de la industria eléctrica, se tiene que para un transformador de 25 KVA y 13,8 KV; la relación de p é r d i d a s ' en el núcleo a pérdidas en el cobre W, /W h c debe ser de 0.3 a 0.4. Para este valor de relación de pérdidas tomando en cuenta que el máximo rendimiento se produce a un valor de carga i = U W . /W , se • n * n c tiene que el" máximo rendimiento ocurrirá a un 55% de la carga nominal.- 00,3095 -26- \\j 0,1 I5'y 20 f V 0,3 n? ^ ^ 200 r //// 400 '///// / / / / / SylOKV 600' ' 800 ' 1000 . Fig. 1 n nr ('KVA) 1400 2.4 • R e l a c i ó n ' d e pérdidas para transformadores normales 2 . 4 . 1 Rendimiento del transformador Si tenemos las siguientes expresiones: V Potencia utilizada en KW W, Potencia disipada o de pérdidas en KW W Potencia absorvlda en KW T) a ' Rendimiento en tanto por 'ciento Por d e f i n i c i ó n ' s e tendrá la siguiente expresión para el rendimiento: W x 100 W W x 100 W + W. 100 - 100 x W + W y expresando-las pérdidas" en tanto por ciento de la potencia aparente S W, - = x 100 100 - = . W/cos x 100 ' (2.8) 100 100 eos f J s + -272.4.2.' Clasificación de las pérdidas en los transformadores El cálculo o la determinación experimental de todas las pérdidas, con carga, considerando- el conjunto de factores que intervie nen en ellas seria prolijo e innecesario debido a la potencia del transformador; a continuación, en la tabla 2.1 se resumen las p é r d i d a s ' necesarias al cálculo del transformador. Tabla 2.1 . Clasificación de las perdidas para el cálculo Cnrüctcr Pérdidas Denuiuíimeión Causa Nuturalexa Localiza ciún Parcial HIsLéresis magnética Fijas (»'a) Flujo magnético común Variables (H«í (1) Corrientes de carga (1) Teórica En Ins chupas Empíricas En los pasadores y clemento.s de montaje Empíricas Corrientes de Foucauit Totales OVV) Total Teóricas En las chapas Empíricas En las rebabas, pasadores, etc. Efecto Joule Teóricas Efecto superficial Teóricas o empíricas • Teóricas En los conductores Teóricas o empíricas En los conductores En el hierro 'En el cobre Prescindiendo de la corriente de excitación. De acuerdo a la T a b l a ' 2 . 1 a las pérdidas se las clasifica en: 1) Pérdidas f i j a s (W ) , son las pérdidas por histérésis.y'corrientes parásitas o de Foucauit en el hierro, se su- ponen constantes para las 2) diferentes cargas y dependen del f l u j o común Pérdidas variables (W ) , son las perdidas normales por efecto Joule en los devanados y las adicionales por efe_c to superficial" dependiendo ambas de la corriente carga I . -28- 3) Pérdidas totales (W ) 3 es la suma de las dos aateriores: W, = W, + W d h c y en tanto por ciento 'de potencia aparente: h La expresión del rendimiento quedará: (2.9) 100 - (u/ h +-u/c) " c o s f +^7~-f-u/ •^ s h c . Cabe señalar que las pérdidas medidas en vacio (W ) , que incluyen las debidas a la corriente de excitación y eventualmente las pérdidas dieléctricas5 son aproximadamente iguales a las pérdidas en el hierro. La determinación d'el rendimiento máximo y -el valor de la ca_r ga en que se produce este máximo rendimiento se expondrán en el capitu lo de diseño.' Es necesario indicar que para la determinación del rendimiento, se tomará como temperatura de referencia del transformador 75°G. Como dato'práctico se conoce que las pérdidas totales deben ser aproxjl madamente un 2% de la potencia nominal del transformador. 2,4.3 Evaluación de las Pérdidas a) • Pérdidas por histéresis y corrientes1 parásitas o de Foucault, Debido a la influencia que tienen en estas pérdidas los detalles constructivos del transformador como soportes, caja., deterioro -29- del aislante en el manejo de las planchas; las fórmulas teóricas para el cálculo de estas perdidas carecen de importancia práctica, pero corr viene mencionarlas para analizar los factores que intervienen en ellas; según R. Kühn_ (8) : - W_ = f Según 1.64 rr— 1Q11 Steinmetz ' ' (B max. A . f)2 -^ *— . G^ jp . y Fe - (2.10). . (vatios) (8): n Tí . Bmax 2 . f . G Fe : (2-11} donde: W pérdidas por corriente Foucault, en vatios E W pérdidas por histéresis, en vatios H frecuencia, en ciclos por. segundo G • peso del hierro^ en Kg. 'constante del material, chapas aleadas = 030007 . 3 peso especifico del hierro^ en gramos/cm max. A • inducción magnética máxima, en gauss espesor de la chapa, en mm. 2 resistencia específica del núcleo de hierro, _n..mm /m. ' -30- . ' • De arabas fórmulas se deduce, que las dos clases de pérdidas son proporcionales al peso y dependen para cada clase de material., de la inducción máxima, de la frecuencia y del espesor de las chapas. En consecuencia los fabricantes suministran unas curvas prác ticas de pérdidas por Kilogramo, para un espesor de chapa y frecuencia d a d o s , ea función de la inducción y determinadas por el aparato de Epstein, a estos valores es conveniente incrementarlos un 10 'a 15% para considerar las condiciones constructivas del transformador y la temperatura de referencia a la que se evalúa el rendimiento, que es - de 75°C. b) Pérdidas variables, en los devanados. Sup'oniendo una corriente eficaz I nado, las pérdidas serán: TJ — c que circula por un deva - ~' e . n . 1m 100 . S • 0 _/ donde: 1 W 3 S, n ya fueron definidos en la expresión 2.7 pérdidas en el devanado en vatios c r 2 resistividad del material en /J-a..cm /cm, esta resistividad e debe ser evaluada a 75°G. y debe incluir el aumento debi- do al efecto superficial de la corriente alterna. El valor de "e" to 3.2 para el cobre comercial se encuentra a n o t a d o ' e n el pun ' ' ' ' Considerando el peso del devanado según la expresión 2 si la densidad de corriente en Amp/mm es: " 2.7 y -31- ¿ - JL s llamando a K- "factor de K pérdida en carga": 10 . e = Las pérdidas en el devanado valdrán finalmente: (2.12) W 2.5 c = K- . J 1 ^ . G c Calentamiento y refrigeración.- Referente a calentamiento y refrigeración^ al transformador a diseñar se lo conoce como O.N.A.N. (Mineral Oil-Natural Circulation - Air - Natural Circulation) 3 según las normas • CEI 76^ 5, 15 y CEI 76 3 5 3 16 que expresan lo siguiente: la. letra 2a. letra Medio refrigerante que está en contacto con los devanados 3a, letra 4a. letra Agente refrigerante en contacto con el sistema de'refrigeración exterior Clase de Medio "Clase de circulación Clase de medio Clase de- circulación -322.5.1 Refrigeración De acuerdo a la denominación ONAN del transformador, el enfriamiento se consigue por la circulación natural del aceite por los conductos de refrigeración de los devanados y núcleo, que conducen el calor a la superficie de radiación al aire que circula normalmente. A la circulación interior del aceite caliente que subey-descie_n de enfriándose se denomina circulación por "termosifón", con este tipo de circulación natural, se llega a dis.ipar de 0.04 a 0.05 - vatios por centimetro cuadrado; que generalmente es suficiente, considerando la superficie lisa del tanque, para transformadores hasta 45 KVÁ. 2.5.2 Calentamiento Lo que limita la capacidad de un transformador es la tempe ratura máxima admisible en el interior de los devanados y en aceite. Según las normas GEI 7-6, 6, 17 para transformadores sumergidos en'aceite,-con refrigeración natural de aire y circulación natural del aceite, los incrementos limites de temperatura sobre la del ambiente son: Para devanados, clase A 65°C., medidos por resistencia Para nivel superior, del aceite 60°C., para transformadores sellados (med-ido por termómetro) Para núcleo y otras partes o equipados con tanque reservorio. 70°O., generalmente, que es un valor que no llega a dañar al núcleo. Aislante clase A: Substancias orgánicas, por ejemplo, algodón,- seda, papel y análogas, así como esmalte para hilos, todos bajo aceite. • •' -33- . • Estos incrementos rigen para: temperatura máxima del aire 40°C. temperatura mínima del aire 25°C. temperatura promedio en cualquier dia no debe exceder de 30° C. No existirá corrección por la altura ya que el transformador se diseña para 1.000 n u s . n . m . El cálculo, del calentamiento de los devanados, aceite y la transferencia de calor al aire s se realizarán -en el capitulo de diseño y no debjB rán sobrepasar los límites de la--norma. 2.5.3 Factores a considerar en el calentamiento del transformador Influencia del color.- Es casi nula con piaturas no metálicas., ejemplo blanco de plomo Sobrecargas temporales.a) de larga duración b) en caso de cortocircuito a) de larga duración: Este tipo de sobrecargas son admisibles siempre que no sobrepasen la temperatura máxima limite y constan en la tabla ral 2,2, para transformadores con circulación natu de aceite^ según las normas alemanas VDE: -34Tabla 2.2 Sobrecargas temporales admisibles para transformadores en aceite S o b r e c a r g a admisi b!a durante el tiempo que se indico (niin) Temperatura previa del o c e i t e Carga Previo Continua . T r a n s f o r m a d or con circulación n a t u r a l de! aceite % 50 % de P.C. 55 ° C . 180 '75 % de P.C. 68°C 120 de P.C,. 7 8 °C 90 % b) 10 En caso de Cortocircuito: 60 20 % ' 90 60 30 30 % 60 30 15 40 %" 50 % 30 15 15 8 6 •4 Siempre según las normas GEI 76 3 8. el trans formad or d eb e s er c apaz de s op ortar sin alterar sus condiciones de servicio, en cualquier "TapV los efectos térmicos de un cortocircuito que posea las siguientes caracte risticas: CEI 76, 8, 26: duración de 2 segundos para una corriente simétrica de cortocircuito ( r . m . s . ) de 25 veces' la corriente nominal, esto rige 'para transformadores hasta 630 KVA e impedancia equivalente del sistema de 4% que3 incluye la impedancia del transformador. El máximo valor.promedio permisible en la temperatura de los devanados, consta en la Tabla 2 . 3 - -35- Tabla 2 . 3 (T«) Máximo promedio permisible en la temperatura de los devanados Clase de temperatura Valor de devanados de cobre devanados de aluminio Trasnformadóres sume_r gidos en aceite 250 Aislante clase A 200 La máxima tempertatura prom'edio T de un devanado., puede ser calculada por la fórmula: • . ' (2.13) , = T + a . 1 o S . 10~3 ( ° C ) donde: temperatura inicial = t inax del medio 4- incremento limite 40 + 65 = 105 grados centígrados, para este caso Densidad de corriente de cortocircuito, en. Amp/mm Duración en segundos Valor, especificado en la Tabla .a Es función de Tabla 2.4 1/2 (T 2.3 + T ) , y está de acuerdo a la -36- Erx ningún caso T- debe ser mayor a T^ Tabla 2.4 dé la Tabla 2.3 ' Valores de Factor "a" 1/2 (T o + T ) °G o D-evanados de Cobre a= función de ' 140' 2.6 1/2 Devanados de Aluminio (T n + T ) °G ¿ o 7.41 16.5 160 7.80. 17.4 180 8.20 18.3 200 " 8.59 • - •220 8.99 - 240 9.38 - Impedancia en el. Transformador Comprende los valores.de reactancia de dispersión y resistencia de los devanados;' para este transformador, la resistencia tiene un valor significativo frente a la reactancia. 2,6.1 . Reactancia de dispersión _Debido a la presencia de los flujos de dispersión^ las mulas que dan fór- la reactancia de los transformadores 3 se basan en el análisis y cálculo de la inductancia de los devanados y en la magnitud del flujo magnético disperso. La- diferencia básica entre un transformador de potencia y uno de distribución consiste en que, para un transformador de potencia la reactancia debe ser alta para limitar la corriente de cortocircuito; en tanto que para un transformador de distribución,, dada su ubicación en el sistema, interesa un valor de reactancia b a j o para conseguir una -37- regulación minima y ua factor de potencia del circuito máximo. Una fórmula aproximada para determinar la reactancia equivalente de dispersión se expone a continuación, donde la exactitud depende de la evaluación flujo de dispersión; de "1", que es la longitud del camino del de todos modos el valor de reactancia asi obte- nido será más alto que el real. Si se tiene la disposición Baja-Alta-Baja de la figura^ la reactancia valdrá 0 0 tb DIAGRAMA. 2. 1 (2,14) :'>97^'Q" Jí|/3(pf|^.í¡)f Ato , A)b I El valor en % referido al primario: XT x I U , 100 pr -38- donde: X . . N reactancia equivalente -en ohmios Número de vueltas del devanado al cual la reac tancia equivalente está referida. h' ^ 1 ^ H v p, p , p At a At = t a = t perímetros x perímetro medio del espacio t x_ el perímetro medio del espacio t, a Todas las distancias en centímetros El desarrollo de la expresión 2.14 se encuentra en el apéndice I Observando los factores que intervienen en la reactan- cia, existen varias maneras de variar su valor: a) Al aumentar la longitud axial de los devanados se disminuye el v a l o r ' d e - la reactancia. b) Variando la disposición .de los devanados, esto es con la disposi. ción Baja-Alta-Baja-se consigue disminuir el valor de la reactan cia. c) Disminuyendo el número de vueltas se diminuye el valor de la reac- tancia, pero el f l u j o aumenta y por lo tanto la densidad de f l u j o , , con lo que se aumentan las pérdidas fijas en el hierro. Si se desea mante- •39- ner la densidad de f l u j o constante, se deberá aumentar la sección, del núcleo con lo que también se incrementan las pérdidas fijas en el hierro ya que se aumenta su peso; por otro lado al disminuir el número de - vueltas se disminuyen las pérdidas variables de carga y el peso de co bre. En general para transformadores pequeños, tipo distribución, es deseable conseguir un. valor de pérdidas fijas en el hierro pequeño y la apropiada refrigeración para las pérdidas variables, lo que limi ta la disminución de reactancia. 2.6.2 Resistencia de los Devanados La resistencia óhmica o en corriente continua para un devanado- viene dada por la expresión: (2.15)' R = ' • e . n . 1 m 100 , S donde: R resistencia en corriente continua, en ohmios, a la temperatura deseada. Los demás parámetros ya han sido definidos interiormente. El valor de "e" dependerá de la temperatura a la que se - evalúe la resistividad y considerará también el efecto superficial de la corriente alterna, su valor se encuentra -para el cobre comercial en e.'l punto 3.2 • • Una vez determinados los valores de resistencia para el devanado primario y secundario: R pr y R sec la resistencia total -40- del transformador referida al lado primario, será: (2.16) R t . R + R . ( —^pr sec \ r x sec y en tanto por ciento del lado primario: • I Pr 2.6.3 " . R "V^ pr Valor de la Impedancia En general para un transformador _de 25- -KVA y tensión '7.620/120 - 240 V, el valor práctico 'tomado de datos de la industria para impedancia, en base "a los KVA de régimen continuo, es de" 2% aprox. Una menor impedancia mejorará la regulación de voltaje con una minima caida de voltaje en todas las condiciones de carga. El .valor en tanto por ciento.de la impedancia equivalente del transformador será: x 2.7 2 ^ r Esfuerzos mecánicos en-cortocircuito Según la norma CEI 76, 8, 25:/'el . • transformador debe ser capaz de so- portar, en cualquier tap, sin ocasionar daño alguno en las condiciones de servicio, las .fuerzas electromagnéticas que se producen durante el cortocircuito y que están determinadas por el valor de pico asimétrico de la corriente en los devanados, este valor no debe ser • 2 , 5 5 (1,8 . y 2 ) veces el valor r . m . s . de sobrecorriente. mayor' que -41Este valor de sobrecorriente según la. norma CEl 76, 8, 24, para transformadores hasta 630 KVA, es igual a 25 veces el valor la corriente nominal; de para transformadores en que el valor de la resijs tencia relacionado con el de la reactancia es significante, se debe tomar un valor inferior a 2,55". Para disminuir la deformación por estos esfuerzos de corto circuito conviene que los devanados sean simétricos radial y longitu dinalmente y que las tomas para derivaciones estén en lo posible ub_i cadas en el centro de la altura axial de los devanados, para lo cual se acostumbra subdividir- el devanado. Los principales esfuerzos que se pr-esentan .al circular lacorriente de cortocircuito, son entre los devanados primario y se cundario'. • Para devanados no circulares los esfuerzos radiales alcaja zan una gran importancia, por el contrario si los devanados poseen una buena simetría axial, los esfuerzos axiales no'son'notorios. Al circular la corriente alterna por los conductores y producirse los flujos de dispersión entre los devanados, se estable ce un campo magnético en esos espacios lo que produce las fuerzas señaladas en el diagrama y que dependen de la (f. ra. m.) fuerza magnetomotriz. -42- Fo FF / E¡ F t.1 Ft2 O © F -fl Ff 0 F .^ ^. ^ pt? 1 © ¡ 0 © . h HV - ^ ^ *- ! i^/ [ * L i fmm= F. M.M. DIAGRAMA. . 2 . 2 Las fuerzas electromagnéticas dependen de las corrientes en los devanados asi como de la longitud de la espira media; como se puede observar las fuerzas actúan sobre los devanados secundarios, ya que la fuerza resultante sobre el devanado de alta es cero; La densidad de f l u j o en el espacio entre devanados será: 4 7T-. 10 max pr/2) W eb er -43y la fuerza radial: F •= B max - I . 1 c c (2-17) F = 2,825 . C^-pr 107 . ' ' n pr/ 2) . . Ic 1 donde; F fuerza radial, valor de cresta, sobre el conductor interior c del devanado exterior secundario o sobre el conductor exterior del devanado interior, en lbs*/plg. longitud del camino del f l u j o de 'dispersión en pulgadas; h ^ 1 ^H I 3 I valor pico asimétrico según la norma, en amperios. Gomo la densidad de f l u j o varia uniformemente desde un valor máximo en la superficie interior del devanado hasta cero en la supér ficie exterior, la fuerza radial total que actúa sobre cada devanado, como se observa en el diagrama anterior, valdrá: (2.18) sec C donde: n sec ' LEM - número de vueltas del secundario . . . " . • *' longitud de la espira media de cada devanado en pulgadas -44Si existiera un desplazamiento axial de los centros de los devanados causado., ya sea por asimetría en la construcción o por la presencia de "taps", la fuerza axial valdrá aproximadamente: (2.19) í1 2.8 a = í1 -L x sen cC Protección del Transformador Debido al servicio de este transformador- en lineas de Dis "tribución Rural y alimentadores primarios es necesario proveerlo de elementos para protección contra sobretensiones de impulso y maniobra^ contra sobrecargas y contra fallas en el transformador o circuito secundario asociado a él. La protección contra sobretensiones de impulso y maniobra se la realiza por medio de un pararrayos, cuya tensión de descarga d_e berá ser inferior al valor del Nivel Básico de Impulso (BIL) de 95 KV para una tensión máxima del sistema de 15,5 KV; que es el para - rrayos será de tipo expulsión apropiado para distribución, para monta je directo en cruceta; para una tensión, del sistema de 7.620/13.200 Grd Y-' Volts, corresponde, un pararrayos de tensión nominal 10 KV y una tensión de descarga de 47 KV; para alturas mayores a 1.000 pies se recomienda utilizar el pararrayos inmediato superior que es dé 12 KV tensión nominal y 60 KV tensión de descarga. La aplicación de un fusible .en el primario de un transformador convencional es un compromiso entre protegerlo contra fallas o protegerlo contra sobrecargas; no conviene tomar valores bajos de fusibles ya que impiden el aprovechar correctamente las posibilidades de sobrecarga del .transformador y además estos fusibles pueden fundir se in-nec es ariamente con tensiones de maniobra. -45- • Por esta razón los fusibles se determinan en la base de pro veer sólo protección contra cortocircuitos, de esta manera se protege el alimentador primario y sus cargas asociadas contra fallas en el transformador o en sus circuitos secundarios, también se logra proteger al transformad'or contra daños debido a fallas en el secundario disminuir los daños en caso de una falla interna en él. y : En la industria eléctrica existen varias clases de fusibles como son el tipo rápido los dos como el "UT" "K", el tipo lento y el fusible de "T" o una combinación de "Super-Maniobra", ambos de Westinghouse que, no son mas que fusibles similares a los standard ti po "N"; el valor de spbrecorriente permisible para la potencia de este transformador es 25 veces el valor r.m.s. de corriente nominal durante dos segundos, hasta 4% para una impedancia equivalente del sistema según se anotaren la norma CEI 76', 8, 24; todos los fusi - bles anteriormente citados deben ser escogidos en base a este valor, señalando que es- necesario realizar un estudio de coordinación de la protección considerando la ubicación del transformador en determinado. un sistema .. De acuerdo al valor nominal de corriente primaria del trans formador y a las caracteristicas tiempo - corriente (9) 3 ma CEI 76, 8, 24 son:' de cada fusible los valores de fusibles que cumplen con lo señalado por la no_r , Amperios • Potencia 25 KVA Plena carga Valor nominal del Pusible •Tipo UT Tipo K Tipo T Super Maniobra y 7.620 Volts 3,28 7 10 10 5 -46Los fusibles señalados van. incorporados en una caja portafusibles ., al c o n j u n t o se lo llama Fusible Interruptor o "Fuse Cut - Out" y deben. ser de tipo expulsión en que la extinción.del arco se realiza por el soplo de un gas s viene con los aditamentos necesarios para m o n t a j e directo en cruceta; a continuación se señalan los valores de cajas - porta fusibles abiertas disponibles para este transformador de acuerdo a su. tensión nominal primaria. Tabla Cajas Porta Fusibles Voltaje Máxima continua Nominal Tensión N Porta-fusibles Abiertas Valor de interrupción Nomenclatura de in en terrupción KMS Amperios .a -• Corriente Amp. 2.5 15 KV de Dise ño • . [KV] • 100 15 15 2.000 Normal Duty 100 15 15 4.000 Heavy Duty 100 15 15 8.000 Extra Heavy Duty Conviene señalar que los transformadores te Autoprotegidos poseen, CSP Completamen- para su protección, contra tensiones de im - pulso y maniobra un pararrayos; contra sobrecargas un interruptor automático en el circuito de baja tensión provisto de una lámpara de señalización de sobrecargas y una manija para reconexiones y operación con sobrecarga de emergencia; cortocircuitos finalmente para la protección contra - o fallas, poseen un fusible interno en alta entre el - devanado primario y el "bushing"; todos los elementos arriba mencio- nados vienen incorporados y forman parte del transformador. -47Es necesario que exista una coordinación, entre las características de funcionamiento del fusible y el interruptor automático, de manera que este último opere y despeje debido a una falla o sobrecarga en el secundario antes que el fusible se funda, asi el fusible desconecta el transformador del alimentador solo cuando existe una fa lia interna en él. -483.1 General Una vez establecidos los criterios que guiarán el diseño que se realizará en el capitulo IV, en el presente capitulo se sele_c cionarán. los materiales a utilizarse en el transformador3 materiales ferromagnéticos, eléctricos., aislantes, concluyendo con. los accesorios. Para la selección de los distintos materiales se han utiliz-ado las características de los productos normales que existen en el comercio y que provienen de varios fabricantes eléctricos. Entre ellos se dispuso de la información de la Nippon Steel Corporation., Kawasaki Steel Corporation y la U. .S. S. Oriented Electrical Steel Sheets en. cuanto al hierro,. Para conductores de la Pirelli Isofil S.A. Companhia Industrial Brasileira con su Centro de Eios Esmaltados y de la Aso- ciación Mexicana de Fabricantes de Conductores Eléctricos con sus Especificaciones para la Indus.tria Eléctrica. Finalmente para los accesorios y cambiador de siguientes instituciones; "taps" de las General Electric, Wagner Electric Corporation, "Westinghouse Electric Corporation, Al lis- Chalmers, todas ellas con sus productos para transformadores de distribución. Los materiales y elementos eléctricos componentes del transformador, necesita.n para su ^importación reunir las características eléctricas básicas anotadas en este capitulo para cada elemento o menos ser de similares características a los aquí señalados. al -49- •3 .2 Materiales Magnéticos, Hierro El material magnético comunmente utilizado es el hierro que aleado con pequeñas cantidades de silicio aumenta su resistencia elec trica especifica disminuyendo el valor de las corrientes parásitas en cada una de las láminas, por este motivo actualmente 'se'emplea en el núcleo acero silicoso de grano orientado laminado en frió. Con el fin de evitar que las corrientes parásitas producidas por la variación del f l u j o , circulen por el núcleo en grandes trayecto1 rias cerradas, es necesario subdividir la sección del hierro en lámi ñas delgadas debidamente aisladas eléctricamente unas de otras; gene- ralmente las laminaciones para transformadores operando a 60 ciclos son de 0,01 a 0 . 0 2 plg. o 0.254 a 0.508 mm de espesor (10) El núcleo debe ser laminado lo más delgado posible cuidando que en el aspecto económico su costo no se incremente, de esta manera se reducen las pérdidas por histéresis y corrientes de "Foucault debidas al f l u j o común en 'el núcleo. Este tipo de acero será escogido de los suministrados por la USS,, Oriented Electrlcal Steel Sheets que clasifica o define comer; cialmente a sus láminas según las bases de la prueba de Epstein para perdidas en el núcleo mas ASTM; a 15,000 GAUSS de inducción, siguiendo las ñor; los valores máximos de pérdidas son los de la Tabla 3.1. -50- Tabla 3.1 Límites máximos de pérdidas en el núcleo a 60 Ciclos LAMINA . TIPO a 50 Ciclos watts watts watts watts por Ib. por Kg , por Ib . p or Kg . Espesor: .011 plgs (.28 mm) .53 1.17 .40 USS M-5 .57 1.26 .43 USS M-6 .63 1,39 .48 USS M-4 • Espesor:. .012 plgs .89 - .951.06 (,30 mm) -USS M-5 .58 1-.28 .44 .97 USS M-6 .64 1.41 .49 1.07 y sus características .mecánicas principales: contenido de silicio 3.25 °/o densidad, gramos/ 7.65 resistividad eléctrica 50 conductividad térmica a 20° C , cal/cm 0.043 factor de espacio o laminación, J; a 50 Lbs/plg y para un espesor de 0.012 plg 97% -51esfuerzo *, 2 á la tracción. Lbs/plg longitudinal . transversal punto de fluencia, Lbs*/plg módulo de elasticidad Lbs*/plg~ 51.500 59.600 longitudinal 48.300 transversal 51.500 longitudinal 62.500 transversal 84.300 elongación^ tanto por ciento en 2 plg . longitudinal transversal 28 Las muestras para la prueba Epstein deben ser: a) Cintas recortadas paralelamente a la dirección de enrrollado b) Recocidas para el desfatigamiento a aproximadamente 1.450°]? ( 7 8 8 ° C ) 3 en una atmósfera esencialmente neutra, para disminuir las deformaciones por el recortado y manejo c) Las cintas son apiladas en el armazón del aparato Epstein usando dos j u n t a s . d) Muestra standard: tamaño: 3 - x . 28 cm. peso: 450 gramos . ' . • (aprox.) . -52- De las distintas láminas se utilizará la USS M-4 que tie- ne las menores pérdidas y por su espesor conviene en la fabricación de núcleos enrrollados. De la lámina USS. M-4 en las figuras 3.1 y 3.2 se presen- tan las características de pérdidas en el núcleo y magnetización de A. G. para valores de inducción en gauss. figura Ya que. las curvas de la - 3.1 son determinadas experimentalmente para paquetes de cha- pas , conviene aumentar en un 1070 estos valores para considerar las características constructivas del transformador y la temperatura de. trabajo del mismo que es aproximadamente 75°C, Debido a que en un transformador de distribución las pérdidas en el núcleo deben ser pequeñas, por razón de economía; -al aumeja tar en una fracción el número d-e vueltas disminuirá el f l u j o con lo que se puede, disminuir la sección del núcleo consiguiéndose .asi elevar la densidad de f l u j o de trabajo hasta un limite dado por las desventajas abajo mencionadas, simultáneamente una variación se produce pérdidas fijas causada por la disminución del peso del hierro; en las se ha determinado para chapas laminadas en frío, un valor de trabajo de 16,5-17 Kgauss de inducción', este valor se tomará para el cálculo correspondiente del núcleo. ' N o conviene trabajar con muy altas densidades de flujo., ya que: a) la corriente de excitación se hace demasiado alta b) se incrementa el ruido en el transformador ' • . c) 'para densidades cerca de la saturación, comienzan a incrementarse rápidamente. - •? las pérdidas en el hierro 03-[orru us Induction, Ktlogausscs -CS- -54fndtiction, KiloÜncs Per Sqiiaro Inch E < ||>} 'uo¡pnpu| Fig. * 3.2 Magnetización de A.G. (Corriente Alterna) -55- El aislamieato de las láminas es del tipo C-4 según Normas ÁISI (American Iron and Steel las titute) o R según la Nippon Steel Corporation y consiste en una cubierta inorgánica de fosfato, que posee las siguientes características:. Resistencia de Ínterlaminado- alta Adhesión buena Soldabilidad muy buena Resistencia al calor muy alta., soporta temperaturas sobre los 8000C.., y por lo tanto el recocí do para el desfatigamie_n to Resistencia a 'la. corrosión 'alta, soporta el aceite aislante Resistencia a gases muy alta 3.3 Conductor Para la'construcción de transformadores se prefiere al con- ductor de cobre, sobre el de aluminio ya que deb'ido a su mayor conductividad y resistividad menor, las pérdidas variables., que son función de la resistividad, serán menores que para el aluminio. A lo anterior se agrega que al utilizar conductores de co bre, éstos son de sección menor que los de aluminio equivalentes lo - que se traduce en una menor dimensión del núcleo y aunque el costo del cobre es superior a l _ d e l aluminio, _ e n relación de peso para igual conductividad de conductor; 4 a. 1 según el el ahorro en el dimensio namiento del núcleo y transformador, el menor valor de pérdidas varia bles y fijas lo hace ventajoso sobre el conductor de aluminio. -56Como se determinó ' anteriormente debido a las características de tensión (7.620 V ) , bastará que los conductores estén aislados 'con doble capa de esmalte y junto con el empleo de papeles aislantes cemento epóxíco coa que polimerizan a 130°C se asegura el aislamiento entre capas. El cobre comercial posee las siguientes características: P =• 8,9 Kg/dm \ • A • = peso específico a 20°C. 2 : 0,00681 (;UO.:cm /cm) °C incremento de resistividad por grado centígrado, constante para cualquier clase de cobre B = 1 6 , 9 2 ' x 10 I ( m ) coeficiente de dilatación lineal m .C 0 en base a estos valores la resistividad a = e 75°C = 2,16 estos valores y e 75 y 105°C valdrá: = 2 , 3 6 f ^ ^ . cm2 se incrementarán un 10% para considerar el efecto su perficial de la corriente alterna. así: Respecto a la sección de los conductores el conductor utilizado será: a) de sección circular'para el devanado de alta tensión ya que, por la corriente baja en este lado la sección circular del conductor ' no será excesivamente grande. b) De sección rectangular o cuadrada para los devanados de baja ten- sión, ya que, debido a que la corriente es mayor en este lado la sec- ' ción circular' sería excesivamente grande,'lo que aumentaría las dimen siones de los devanados, como son longitud de las espiras, peso, esp^e sor del devanado; con la sección rectangular se obtiene un ahorro en estas dimensiones y el devanado resulta más compacto. El empleo de esmaltes sintéticos es amplio ya que poseen una extraordinaria resistencia mecánica y adhesión, además reducen el factor espacio en los devanados. De la Asociación Mexicana de Fabricantes de Conductores Eléc. trieos, con sus "Especificaciones de la Industria 'Eléctrica" C - 123 - 64 y E1E -C - 121 - 64,1 se señalan las -características .dimensiones de alambres magnéticos, e_n las siguientes a) "EIE y Tablas: Alambre magneto rectangular o cuadrado de cobre con aislamiento de esmalte sintético a base de resinas de acetal de vinilo. Tabla 3.2 Tabla 3.3 Ancho del alambre de cobre desnudo Tabla 3.4 b) Espesor del alambre de cobre desnudo Aumento de dimensiones debido a la adición de esmalte Alambre magneto circular de cobre con esmalte sintético a base de acetal de vinilo. Tabla \- 3.5 Diámetro exterior máximo del alambre esmaltado y aumento mínimo por adición de esmalte Tabla 3.6 Tabla 3-7 Dimensiones • y. Tolerancias del alambre desnudo • • . Tensión de perforación del esmalte. - y' -58- Tabla 3.2 - Espesor del Alambre Variación máxima permisible en espesor en más y menos Espesor nominal Ancho mayor Ancho entre Ancho menor a 25.4 mm 25.3 a 12-.7 a 12.6 mm. % 6 min. rom ó mm. ó mm. 7.64 1 1 1 0.076 a 5.10 0 .076 1 1 5.09 a 2.56 0 .063 '1 1 2.55 a 1.29 0 .'051 0.025 0.025 1.28 y menores 0 .038 0.025 0.025 12.72 y mayores '12.71 a 7.63 1 Tabla • 3.3 Ancho del Alambre Ancho Nominal Variación máxima permisible en ancho- 1% sin mayores en más y en" menos 7o ó mm exceder de 12.72 y 12.71 a 7.64 7.63 a 2.57 1 2.56 y . menores 0.025 . ' 0.076 O ¿406 mm . /- -59Tabla 3.4 Aumento, de las Dimensiones debido a la adición del Esmalte Tipo Ancho; (mm) Espesor; Minimo Máximo Minimo (mm) Máximo . S imp 1 e .038 .063 .038 .063 Doble .063 .114 .076 .127 Cuádruple .100 .152 .127 .178 Tabla 3.7 . Tensión, de Perforación del Esmalte Tipo Simple Tensión minima de perforación . 500 Doble Cuádruple (volts) -. 1000 • _ ' 2000 . ' -60- Tabla 3.5 DIÁMETRO EXTERIOR MÁXIMO DEL ALAMBRE. ESMALTADO Y AUMENTO MÍNIMO POR ADICIÓN D£L Aislamiento Simple Diámetro má- jumento mfxlmo exterior ruino en diámetro . ( nun ) ( mm ) Aislamiento Doble Diámetro rná- Aumento miximo exterior "nimo en diámetro. í mm ) ( mm ) .093 ,091 .083 .085 .084 .081 3.44 3.08 0.114 0.112 2.72 2.43 2.17 1.94 1.74 .079 .076 .074 .071 .069 2.75 2.46 2.20 1.97 1.77 0.103 0.106 0.102 O.GSD 0.036 1.56 ' 1.39 ' 1,25 1.12 1.00 .066 .0.66 .063 .061 .058 1.59 1.42 1.27 1.14 5.37 • "4.79 4.27 3.31 3.41 -3.04 3.36 3.00 .041 .041 "2.68 2.39 2.13 1.70 .038 .038 .035 .036 .036 1,52 1.36 1.22 1.03 0.97 .033 ,030 .'030 ,028 . .028 0.87 0.73 0.69 0,62 0.55 .025 .025 .025 .023 .023 0.49 0.44 0.40 0.35 0.32 .023 . .020 .020 .018 .018 0.28 0.25 0.231 0.206 0.103 .015 .015 .015 .013 .013 0.30 0.27 0.249 0.224 0.19S - 0.1G3 0.147 0.132 0.113 0 . 104 .010 .010 .008 '.008 .005 0.178 0.160 0.145 0.130 0.114 1.90 ; • . ' 0.90 0,81 0.72 •0.55 0.58 0.52 0.47 . ' Aislamiento Trípíe Diámetro má- Aumento rnCximo exterior nimo en diámetro. C mm } _ (rnm ) 0.42 0.38 0.34 . AY/G - 4 5 6 7 ' 8 9 10 11 12 13 14 0.094 ' 0.091 0.083 ' 0.086 0.064 1.03 15 16 17 18 19 .055 .053 .051 .043 .048 0.83 0.74 0.67 0.60 0.079 C.075 •0.074 0.071 0.069 20 21 22 23 24 .045 ' .043 .041 .033 .036 0,54 0,49 0.44 0.39 0,36 0.066 0.053 0.058 0.056 0.053 25 2S 27 28 29 0.32 0.292 0,267 0.241 0.213 0.051 0.048 0.047 0.0-13 0,033 30 31 32 33 . 34 .033 .033 .030 .028 .025 .023 .020 .020 .018 . - .015 • 0.92 0.1S3 0.175 0.1570.142 0,127 . 0.035 0.033 0.030 0.02S 0,025 . 35 36 • 37 2«' 39 -61- Tabla 3..6 D I M E N S I O N E S Y TOLERANCIAS DE£ ALAMBRE DESNUDO Área de la sección en mm2 a 20° C. 21.15 15.75 6.632 5.138 4.574 4.074 3.630 3.231 2.878 '5.260 4.169 3.307 2.627 2.082 2.563 2.281 2.032 1.811 1.613 2.588 2.304 2,052 1,329 1 .628 2,614 2.327 2.073 1.347 ', 1.643 10 11 12 13 14 • 1.651 •1.307 1.0-40 .8235 .6529 1.435' 1.278 1,138 1.013 ,0.902 1.450 1.290 1.1.51 1.024 0.912 1.466 1.303 1.153 1.034 0.922 15 16 17 18 19 .5189 .4116 .3243 .2588 .2047 0.8'05 0.716 0.635 0.569 0,505 0.813 0.724 0.643 0.574 .0,510 0.820 0.731 0,650 0,579 0.516 '20 21 22 23 24 VI624 " .1281 .1022 ,08042 .06463 0.450 0.393 0.358 0.317 0.284 0.455' 0.404 0.360 0.320 0.287 0,460 0.409 0.353 0.323 0.230 25 25 27 28 •29 .05067 .04015 ' .03243 .02553 .020U 0.2-51 0.223 0.200 0;177 0.157 0.254 0.225 0,203 • 0.1SO 0_,160 . 0,257 0.229 0,206 0.183 .0.163 •30 31 32 0.139 0.124 0.111 0.099 0.086 0.142 0.127 0.114 0.102 0.089 ' 0.145 0,130 35 36 37 38 39 13.30 . 10.55 8.367 - Diámetro del alambre (rnrn) Mínimo Kominal Máximo .01588 .01267 .01026 .008107 .005207 ' .' 5.183 4.620 • • 4.115 ' 3.665 3.264 2.906 ' 5,240 4.666 4.155 3.701 3,297 2,934 0.117 0.105 .0.092 4 5 6 7 -62- 3.4 Materiales aislantes •• Los -materiales aislantes a utilizarse, son los siguientes con sus respectivas características: a) Aceite.- El aceite que constituye el-medio aislante y d'e refrig_e ración de los devanados será de tip.o mineral., especial para transformadores, con inhibidor de oxidación como "Topanol", "Paranox", "Parabar11, evitando asi la formación de productos ácidos y el depósito de lodos, debe evitarse la presencia de azufre ya que afecta al cobre. La rigidez dieléctrica es prácticamente independiente de la clase.de aceite, hallándose afectada solamente p o r - e l contenido de humedad', gases e impurezas. ' " . A continuación, según. Westinghouse, se exponen algunas ca racteristicas d.e aceite para transformadores: Reacción neutra índice de neutralización 0.03 max. (Mgr. de KOH.para neutralizar un gramo de aceite) Azufre corrosivo excento Punto de inflamación 135°C •Punto de Congelación Viscosidad a . - 38.8°G (100°F) SU Peso especifico a 15.5°G (60°^) -45.6°C (275°E) (-50°T?) 60.0 seg. max. 0..898 Constante dieléctrica 2.2 Calor •0.478 especifico min Kg/dm 3 aprox., Kcal/Kg Rigidez Dieléctrica 200 XV/ cm. Peso por galón 7.5 Lbs. x °C -63Según las recomendaciones VDE 0370/10.66, los valores mí- nimos admisibles para aceite en servicio son: 1.- Tensión d e perforación: . Transformadores hasta de . . 110 KV 30 • 120 Rigidez dieléctrica 2.- KV KV/cm ' índice de neutralización . No superior a b) • Aisladores.- 0.6 mgr KOH/gr. aceite ' ' : Los aisladores (bushings) utilizados . tanto .para alta como baja tensión serán de porcelana, de diseño mo- derno y apropiados para distribución. Á continuación se indican las características eléctricas que debe reunir el aislador en un transformador monofásico, según consta en la norma ANSÍ G57. 12, 20 - 1974, sección 5¿ Nivel o Clase de aislamiento para alta tensión: 15 KV Nivel Básico de Impulso no disruptivo para aislador seco. • Distancia de Fuga, pulgadas Mínima Máxima . . 95 KV 10 1/2 — 1/2 10 1 / 2 4 - 1 / 2 Tensión a 6 0 . Hz no disruptiva durante 1 minuto para aislador seco Tensión a 60 Hz no disruptiva durante . 10 segundos para aislador bajo lluvia 35 KV ' 30 KV . ; -64El aislador de alta tensión será para montaje directo en .la cubierta y corresponde al N £ 772C078G03 para una potencia de 25 cia de fuga de de Westinghouse utilizable KVA y" tensión de.7.620 Volts, con una dista_n 11 pulgadas. De acuerdo a la norma anterior las distancias entre aislad_o res de b a j a tensión para 600 Volts, y menores, es'tán dentro de los si guientes limites: Separación Mínima entre partes metálicas •de terminales, .plg. 1 .3/4 . : Separación Máxima entre puntos centrales de los aisladores, plg. 9 Para baja tensión el número de "bushings" es tres y de a cuerdo' a Westinghouse para 25 KVA ro y 120/240 V. corresponde el núme- • 772C077G18, con terminal en forma de grapa o perno prisionero en el exterior e interiormente termina en u n - p e r n o de. 3/8 p l g . , los bushings de baja deben tener un nivel de aislamiento de 1,2 KV Siempre según la norma ANSÍ C57. 12.. 20.. 1974, sección 5 las dimensiones de las aberturas de los terminales de los bushings de alta y baja tensión para 25 KVA y 7.620 V - 120/240 V. son: 'Tamaño de la abertura N- AWG de Conductor que Terminal se acomoda al terminal Alta Tensión 5/16, plg 8 sólido a cableado Baja Tensión 13/16, plg 2 2 sólido a 350 MCM-19 hilos Tanto el aislador de baja tensión como el de alta que tienen mangos de porcelana roscados, se ajustarán a la pared del tanque y a' la tapa por medio de unas pletinas cuyas dimensiones y forma, junto a las dimensiones de los aisladores constan en el Apéndice TM25-4. III, plano -65- c) Papel Aislante.- El papel utilizado como aislante generalmente es de origen natural, en el transformador se utilizará el Kraft de Westinghouse que proviene de una fibra de madera, con diamantes epóxicos, denominado también presspan. Este papel deberá ser secado e ir sumergido en aceite para evitar que absorva humedad y pierda su excelente resistencia dieléctrica. El papel debe ser quimicamente protegido contra deteriorización térmica.por medio de aminas, que son solubles en el aceite-en pequeñas cantidades (aprox. 200 pp por millón) , el resultado de e_s_ ta protección es una vida excepcionalmente larga y una alta capacidad de sobrecarga para el transformador que utiliza esta aislación. Los valores de tensión de ruptura para'la tensión de prueba a impulso (KVp) 1 minuto y para la tensión a frecuencia industrial, durante - (KV r.m.s.) en función del grosor de presspan, sumergido - en aceite, se muestran en la figura 3.3,-p-ara 60° C de temperatura. d) Bakelita.-. En realidad es un papel bakelizado, de gran resistencia mecánica, se lo utilizará para soportar los devanados a la ferretería o estructura que sujeta el núcleo. e) Tubos Aislantes y Barniz.- Los tubos, aislantes son enrrollados, de presspan o de fibra de cartón e irán impregnados de barniz de goma laca o bakelita, endurecidos al ca lor. Los tubos aislantes se utilizan para la aislación de las derivaciones y conexiones'de los devanados. ' ~ -66- f) Madera y empaques de. caucho.- La madera tratada y secada se utilizará se es necesario para soporte de las conexiones del cambiador de "taps" y para la formación de canales de refrigeración en los devanados; los los empaques de caucho - que contienen nitrógeno en su composición, se utilizan para la cubier ta 3 la portezuela de la cubierta y para los orificios en el tanque para ubicación de los bushings, (KV) 160 140 120 100 80 60 40 1.5 0.5 ' . . : 2.0 2.5 3.0 El presspan de espesor (.mm) Fig- 3.'3 Tensiones de ruptura de presspan (Kraft) en aceite a NOTA: 3.5 60°C (kraft de Westinghouse) viene en láminas de 0 3 25 iran. -673.5 Accesorios El equipo de accesorios necesarios para transformadores monofásicos de 5-5o KVA, montaje directo en ppste3 una posición y con un aislador en alta tensión ubicado en la cubierta, está determinado en la norma ANSÍ C57. 12. 20 - 1974, sección 5, figura y son los que se señalan en la -figura 3.4 \ Eig. 3.4 Equipo Accesorio para Transformadores Monofásicos ÁT 12.47 G r d . Y / 7 . 2 KV 13.2 Grd. Y/7.62. KV 13.8 Grd. Y / 7 . 9 7 KV 24.94 Grd Y/14.4 KV BT 120/240 Volts. 5 - 5 0 KVA S4 donde: 5-50 KVA Equipo Accesorio ítem N - \1 Soporte para Montaje- tipo A Marca de Nivel de aceite x Cambiador "Taps"-0peraci6n Interna x Previsión para vacio del transformador x Portezuela en la cubierta x Soporte para manejo del transformad or • x Puesta a Tierra del Tanque,cohec. tor - x Puesta a Tierra de Baja Tensión x' Terminal del aislador-de alta . . x Terminales de los aisladores de baja . x Disposición de los aisladores de baja . x 12 Ubicación de la placa x 13 Contenido de la placa - tipo 14 Valor de KVA en tanque . * A x Las características y dimensiones de estos accesorios se exponen en la sección 5 de la norma anterior; los más importantes/ a más de las dimensiones de los terminales, de aisladores ya señalados, son los siguientes: -69Soport-es para, el tanque.- Considerando que el- transformador tendrá una sola posición, de montaje se dispondrá de dos soportes tipo "A" alineados longitudinalmente y soldados al tanque, la forma y dimensiones d.e estos soportes se indican ea el apéndice III, plano TM25 - 5. En el siguiente diagrama se señalan las distancias recomendables, según esta norma para la ubicación de los soportes en trans formadores de 1 5 - 3 0 KVÁ, 15 KV y menores: D esignacíon d e S egmentos -1/8 Z = 14±2" Lmax= 23"'/4 DIAGRAMA 3.1 Cubierta del .tanque y portezuela.- la cubierta o tapa del tanque y la portezuela se recubrirán con una - película de plástico para aislarlas de los terminales^ además se dis pondrá de una pletina para su conexión con el tanque. -70- La portezuela se asegurará con un solo perno y una barra atravesada, el perno tendrá "la .cabeza aislada con nylon, • (ver figura 3.5);la tapa es asegurada al tanque., conteniendo el empaque de caucho.,por medio de un soporte soldado _a la pared del tanque y un perno inoxi dable pasante que se atornilla en el soporte, ce ver detalles en apénd_i III, "plano TM25 - 1 fer^ '*'"' '."'i /'".' '^'''•-'•^í^'i Vi r'frft*: W^f^"'- '*~! f-%.-:'-. i,;' • ' • " ' ' • » • ) ' • * -.-"*/ ->'* rí!^'¡**fí!'i?'srSlfr ; "^ i-rí «¿iti.i'.rf ^ 'íí*. i'"'' iffü'iiiv'j;; • jiíí.iííí¿vr í fC¿ í.íSí ícÜ^-^Li."» «.^¿¿s Fig. 3.5 Cubierta y Portezuela del Tanque Otros accesorios.- Son los pernos para colocar a tierra el tanque y• el neutro de bajo voltaje. Las dimensiones de los orificios que contienen a estos pernos de acero son de 1/2 cibe al perno tiene plg. , rosca - 13 NG, el orificio enroscado que re7/16 plg. de profundidad y van ubicados el uno al fondo del tanque cerca al soporte y el otro bajo el aislador neutro b a j a. de ' El conector para puesta a tierra del tanque en forma de grapa o perno prisionero ductores Í3- será de AWG 8 sólido a 2 5/16 de pulgada y podrá alojar a los con-cableado. -71- También se debe disponer de dos orejas para el transporte y manejo del transformador y - d e un orificio de altura que el nivel de aceite que sirve 1/4 plg. NPT, a mas para el proceso de vacío del transformador y va ubicado cerca del soporte superior. Los neutros- de los devanados de baja tensión deben ir co nectados al aislador de baja ubicado en el medio y éste a su vez conectado al tanque por-medio de una pletina de cobre exterior; res - pecto al contenido de la placa del transformador se halla reglamenta do por la norma ANSÍ C57. 12. 00 - 1973, para una placa tipo "A" que •deberá ser utilizada en transformadores hasta 500 KVA y 'con un Nivel Básico de Aislamiento a Impulso (BIL) hasta 150 KV. Sejección de núcleo-devanados.- Finalmente el diseño se completa con los elementos de sujección del núcleo 3 para la potencia de este transformador bastarán dos perfiles de acero liviano y compacto que confinan al núcleo, estos perfiles se aseguran al costado por tiras de acero o zunchos, proporcionando, así gran re -. sistencia y'rigidez. El conjunto queda sujeto al tanque por ganchos superiores .que se apernan a 'los costados del tanque, tar al cambiador de "taps" (ver la figura la estructura deberá sopo_r 3.6) .Para el soporte de los devanados se dispone de peines de bakelita que aseguran a los devanados contra los perfiles de acero. -72- \. 3.6 Sujeción de núcleo - devanados con cambiador de "taps" 3.6 Conmutador o cambiador de derivaciones (Taps) El conmutador a utilizarse será de tipo rotatorio construido en polyester - vidrio lo que le da una excepcional resistencia mecánica y dieléctrica, la manilla irá interiormente al tanque y tendrá accesopor la portezuela • El cambiador tendrá cinco posiciones y será accionado sólo en forma desenergizada, irá sumergido en aceite hasta cierto nivel, que se especifica en las características constructivas. El cambiador utilizado será el de la VJestinghouse mostrado en la figura 3.7 que posee las siguientes características eléctricas y corresponde al número N £ '116G603G01: corriente de cortocircuito durante 1.800 Ámp. 2 segundos •BIL " ' ' " Máxima corriente continua La manilla \- ' 95 KV (clase 15 KV) .. 90 Ámp. acciona un anillo., el cual va efectuando los contactos, un resorte asegura la posición del anillo y un buen contacto; los terminales del devanad'o se introducen en los espárragos de cobre que se los comprime;, quedando de esta manera; sujetos al cambiador de "taps", las dimensiones de los espárragos y del cambiador en general se encuentran en el apéndice III, plano TM25 - 5 -74- ,;.".. Fig. f 1. Base moldeada de polyester-vidrio -,•»", i_.':"; 2. Espárragos d e - C o b r e .;!''•.:£ 3. Resorte contacto de acero inoxidable £•& 4. Contactos de "bronce concrecionado 'V' ; K 5. Mango de polyester-vidrio :«";'-' 6. Indicador de posición del "tap" 3.7 . Cambiador de derivaciones para transformador de distribución -76- 4.1 General Luego de establecer en el capítulo' II, los criterios indispensables que -guiarán el diseño y en el III, las características de los materiales que se emplearán en el transformador, en el presente capitulo se procederá a aplicar lo expuesto en los dos anteriores, para obtener el diseño final del transformador. Este diseño final estará complementado con el cálculo y d_e terminación de las características y constantes de funcionamiento del -transformador, asi como las conexiones 'de sus elementos y: detalles me cánicos del mismo. 4.2 Circuito Magnético: Diseño del Núcleo • •• • En este punto se expone él proceso y criterios seguidos e l diseño d e l núcleo d e l transformador. 1; • Determinación del valor de la inducción • ' . en . . •. " Según la curva de magnetización de la lámina USS M-4 de la figura 3.2, el valor de inducción que se asumirá será. B = 16,5 Kgauss . . . . max ° que corresponde al codo de la curva. 2. Determinación de la sección efectiva del núcleo El factor de forma C, según R. Kühn (2) a 12.000 gauss 2 7 cm • x julio C -1/2 1 y para una inducción de 16,5 Kgauss: = aplicando la expresión q « 6 5,96 2,3, la sección efectiva será; 1/25.000 V 60 = 121,66 cm es -77- 3. Determinación de las dimension.es del núcleo Como asumimos que: d = b = el número de láminas BL = b=' 1.5 d .q ef •' -= 1.5 13,52 9,00 cm cm ~. 13,6 cm TJSS M-4 para 9 cm será: _ y¿o 00 .—• (j mm =• . 322 láminas, luego d el clona una-sección efectiva real de: = 9,016 cm: q _ = 122,62 cm i lo que propor-i r r 2 para Imag = Imag - 1.570 I ; valor que se desea obtener en el diseño =' 0,0492 Amp -78- . / ^ De la.figura 3.2, . a 16,5 Kgauss corresponden 1.4 A —:—• o plg A 0,551 ' Con la expresión 2 . 2 , determinamos el número de vueltas del primario: pr = in • pr . 10 4,44 . f . q - . B 3 . ^ef max Aplicando la expresión = i /i£ 1.416 espiras 2 . 4 obtendremos la longitud media del camino magnético: o 2 -r L = Ti n este valor de 1 mag . . n. (A-v> = 63,22 . n pr ^- -_, .. = 126,44 cm. cm L debe ser 'verificado o corregido al diseñar los deva nados. Según la referencia (4) y con la expresión 2 , 5 : I a = '5,7 n - 2d) = 1 6 , 9 5 - 1 7 cm. cm. * Estas dimensiones de la ventana'del núcleo deben ser verificadas al calcular las dimensiones de los devanados. cm. -794. D'imensionamiento final del núcleo Considerando el valor de la altura de la ventana verificado o corregido del punto 3, literal- 4,3: . G = 17,2 era , . Las dimensiones del núcleo serán: ef eT— = 4, 65 cm ¿ . tactor de espacio n • K G E f = 0.97 V — 2 F 4- a ' '— 1S ' rm C ~ 2 K ~ 30 cm J = 2 E =- 9 , 3 cm H = G+ 2 E = G J 26,5 - .a = 5. era 5(, 7 cm Peso del hierro "3 Si o- 7,65 Kgr/dcm y considerando la expresión 63,8 según lo anotado en el punto 2 . 6 para el valor de cm., el peso total del núcleo valdrá: ^ re = 59,84 Kgr - 60 Kgr y el peso de una sección del núcleo =30 Kgr. 1 corregido .3.1, de -80- 4.3 Disefto de los devanados Considerando que la disposición de los devanados será bajaalta-baja, el diseño comprenderá: 1. Determinación del número de espiras De la expresión •Upr n = 4,44 = 5,38 c— obtenemos la relación voltio por espira: . f . pr U pr n 2.2 q , aef . B .10" max pr número de espiras en primario: n = U pr .= 1.416 pr'/npr ' . . ' ' . ' . número de espiras en secundario: n = s ec — sec = 44a 6 ... • . . pr/npr El número de espiras para cada derivación en el devanado primario será: + 5 % 1. 486 espiras + 2.5 % 1. 451 espiras nominal - 2*• . 5 —/ 7/o - 7a 5 • i; 416 ' . i. 381 i. 346 espiras espiras espiras -81- 2 . - Densidad de corriente y sección de los conductores De lo anotado en la referencia (5) , la densidad de corrie_n 2 te asumida será de 2,33 amp/inm , este valor será justificado si nos da una adecuada relación de pérdidas y una elevación de temperatu. ra permisible. . . • Corrientes nominales en . los devanados:. I = 25. KVA 7,620 KV pr I - = = 25/2 KVA 120 V se° 3,28 = Amp. 104,17 Ámp . considerando que cada devanado secundario suministra la mitad de la potencia total. • Para estas corrientes la sección de.los devanados serán: Conductor primario: S - pr 3,28 .2,33 . Ámp. Amp/mm = V Tí = '- ~ 1,407 Ij338 mm, 2 mm , y el diámetro del primario el conductor que mas se aproxima. es el de sección circular^ N- 16 sección AWG de la S ' • = tabla 3.5 cuyo diámetro es 2 -1,307 mm ' ' <f - 1,29 mm y - Conductor secundario: S sec « 104,17 Amp^ ' -•-j-^2 z,33 Amp/mm = 44, 708 - la •/• -82cónsiderando las dimensiones de los conductores indicadas en las tablas 3.1 y 3.2 y para obtener facilidades en el manejo para la costruc- ción se .tomarán dos conductores paralelos'de espesor 3,5 mm y anchura 6,5 mm; el ancho deberá ser verificado al determinarse el número de capas y longitud del devanado. Con estos conductores las densidades de corriente de trabajo valdrán: 3,28 ~ 3, 104,17 2(3,5 . 6,5) Determinación del número de capas y de las espiras por capa en ca da devanado Las dimensiones de los conductores aislados con doble capa de esmalte según las tablas 3.3' y 3.4 son las siguientes: » conductor primario <p — • 1,39 conductor secundario • 2 (3,627 * 6,614) mm La separación entre el devanado de alta y el yugo según figura 2.2 para los = mm la debe ser mínimo de 15 mm., luego la longitud disponible - devanados:. 1, Q = ' G - 2 . 15 mm = • 170 - 30 ". - = • 140 mm. En función de esta distancia .el número de espiras y capas para los devanados serán: -83en cada devanado secundario: e'spiras por capa: como se tiene 140 mm 6,614 mm =*= 21-espiras 22 espiras por devanado se dispondrá de una sola capa por devanado. ' en el devanado primario: 140 mm _ -„„ q—TT; — 100 espiras 1,39 mm r espiras por capa: r . para las 1486 espiras serán necesarias 15 capas, cada una de las cuales tiene 99 espiras. . . La longitud fisica de los devanados se calcula por la expresión: longf ='1,01 . p e . (n-M) d ond e: 1,01 es un factor de bobinado de los.devanados n, 3 número de espiras por • capa diámetro o ancho del'conductor aislado La longitud efectiva de los devanados viene dada por la expresión: Long _ = er 1,01 . é • c . n así, para el devanado primario: Long- = 141 mm Long ,. = 139 mm -84- J_ong,. ± = 153 tnrn' . long e± = 147 mm Considerando la separación mínima de 15 mm de alta al yugo la altura -corregida de la ventana valdrá: G ' = el ancho de la ventana •con este valor de G 172 mm "a" permanecerá igual, -en 5,7 cm. la corriente de magnetización valdrá; -según la expresión 2.4 .1 = 2 + 2. + 2 = .2 . 17,2 + 2- . 9,01 -f 2 . 5,7 > 63,8 cm. \a cada devanad I . .mag 4. = — 1 (Á - v) — — Q ' = 0,0496"=. 1,51%. I pr Dimensionamiento del conjunto devanados Para realizar el diinensionamiento del conjunto de devanados -se -aplicarán los criterios y procedimiento señalados en el literal .2..2.1; xa tomando como base los elementos y .la denominación de la figu- 4.1 el diseño comprenderá: -85- Conjunto de devanados \. 4.1 a ) ' Devanado BTl.- '1. separación de presspan ÁT2 - BT3 2. separación de presspan ÁT2 - BTl 3. presspan base 4. ductos de ventilación . ~ La separación entre el devanado BTl y 'el núcleo es de 6 láminas de presspan de 0,25 mm de espesor que son suficientes para proporcionar rigidez mecánica a los devana -' ' . - dos". " . Tanto el devanado BTl como BT3 constan de una sola capa,, por lo cual no existe el aislamiento entre capas; para el devanado BTl es necesario colocar una capa de 0,25 mm de grosor para aislarlo mecánicji mente del ducto de ventilación BTl - AT2 formado por varillas de ma- dera tratada'y barnizada de 6 x 6 mm. y separadas entre sí 1,5 cm. para permitir la circulación del aceite. Para determinar la separación AT2 — BTl se debe tener en cuenta que la capa del devanado de alta próxima al devanado BTl estará conectada a tierra y luego que para el nivel de aislamiento señala do en 34 KV r.m.s. de presspan de corresponderán,' según la figura-3.3, seis capas 0,254 mm que soportan 36 KV r . m . s . y 72 KVp •-86; Resumiendo las dimensiones de BTl: ^•espesor BTl*espesor BT3: 2 .x 3,627 - 7,3 mro .-separación BT1-AT2- en el núcleo: 6 . x 0,254 .- mm presspan base BTl - Núcleo: '. . 1,5 - 1,5 _mm -separación BTl - AT2 en un extremo: 1,5 -f 6 H- 0,254 = 7,8 mm -separación aparente BTl - AT2: -6.,25/2 -f '1,5 .raen • ' (a la mitad del . ducto) fe) Devanado ÁT2 .- - 4/7 • Para .determinar el aislamiento entre -capas del d_e ^vanado es necesario considerar según lo anotado -en el literal 2.2.1, " b " que el máximo valor de .tensión entre capas -para la tensión de prueba de impulso 95 KV,, considerando un factor de multiplicación de \ KV p / capa 2 será: = ,Í 15 . = 25,3 KV P Para este valor son suficientes 2 capas de 0,254 mm. . 'que ^soportan 26 KV que para la - 14 KV r.ra.s. de acuerdo .a la figura 3.3; señalando, protección de las cuatro primeras capas cercanas a la .linea que son las mas afectadas ' por la tensión de impulso, el aislamie_n ±o se lo hace con tres láminas de 0,254 mm 'de presspan que .soportan 38 KV - 21 "KV r.m.s. (figura 3.3) entrecapas. en cada una de las 'tres primeras - . El aislamiento de dos láminas de 0,254 mra soporta muy bien el valor de- la tensión entre capas para la prueba de tensión inducida: 2V Vr.m.s./capa = 2 . . espiras por capa -87- donde: n V n Vr.m.s/capa • - = n° espiras, valor nominal 1.416 = voltaje aplicado al devanado 34 KV r . m . s . - 9.508 Vr.m.s. Las derivaciones'centrales de mitad de devanado, utilizadas 'para el cambiador de "taps" deben quedar en capas diferentes y con d_o ble entrecapa de aislamiento; para las 743 espiras se necesitarían • 7 capas con 99 espiras y otra adicional con 50 espiras; 'en definitiva, el devanado ÁT2 poseerá 16 capas. Considerando que el devanado 0,75 mm., 1 de AT2 tiene 3 entrecapas de 4 x ' 0 , 2 5 mm, 11 de 0,5 mm a las que se agrega 1 de 0,25 mm para aislarlo mecánicamente del ducto ÁT2 - BT3; el espesor valdrá: •' espesor AT2: 16 . 1,39 + 3 '. 0,75 +'1 . 1+11 . '0,5 + 1 '. 0 3 2 5 = 3131 mm ^Según aconseja Kuhlmann (11) de alta para el espesor máximo del devanado asegurar una temperatura uniforme y evitar los puntos calientes en él,es de 2,5 cm; luego,se hace necesario ubicar un ducto de ventilación semejante a los anteriores "a mitad del devanado entre la doble entrecapa para aislamiento de los terminales de las derivaciones. De acuerdo a lo señalado en el literal 2.2.1, "e" ea lo relativo a Ik reparación AT2 - BT3 que debe soportar 1,5x95 KV (BIL) , de la figura 69 KV r.m.s. 3.3 se obtiene que 15 capas de 0,254 mm soportan 150 KV Resumiendo las dimensiones del devanado AT2: 31.1 mm espesor de AT2 '• espesor aparente de AT2: 31,1 + 6 , 2 5 / 2 Separación AT2 - BT3 en el núcleo: 15 * 0,254 3,8 mm separación aparente AT2 - BT3; 3,8 + 6 3 2 5 / 2 7,0 mm 34.2 mm (a mitad del ducto) c) Comprobación del aislamiento entre AT - BT.- En general la separación entre los de. vanados de alta tensión y baja tensión se halla constituida por varios aislantes sucesivos 1, 2, ... i formando capas paralelas'en serie, - 7* T' de la misma sección S, gruesos respectivos 6^ 62 V ... T C¡ , constantes dieléctricas relativas £p Ú 2 . . . £¡ o capacidades individuales C l , G 2 5 . . . C i , los cuales están bajo una di-ferencia de potencia U, como se indica en el siguiente diagrama. A la diferencia de potencial U, co rresponde, pues, una intensidad de 3 s £ campo media dada por: Sa ¿3 ¿1 ^ +Q El E2 E •= m U E3 Las respectivas tensiones por capa se distribuyen proporcionalmente a sus - u .! longitudes e inversamente a las constantes dieléctricas•de cada una de ellas: DIAGRAMA 4.1 U, -89o también, las intensidades de campo en proporción inversa de los poderes inductores específicos, independientemente de los gruesos res pectivos: E. i E. Referidas las tensiones parciales a la tensión total U y las dades de campo a la intensidad media del mismo \~rr ^ u. 1 £ £1 E- E , se deduce: m • -u • 1 o bien ——— = r" O .. Á continuación en la figura gidez dieléctrica (E/O 4.2 constan los valores de ri- del acetal polivinilo , en la figura 4.3 rigidez dieléctrica de presspan en aceite y en la- figura1 2.1 dez dieléctrica del aceite nuevo. entre puntas tienen valores prácticos obtenidos del libro Máquinas Eléctricas" intensi- la la rigjL y esferas, todos con "Calculo Industrial de por Juan Corrales Martin- (12) y que serán utili .zados- en el .análisis de los respectivos aislamientos. -90- Fig. 4.2 Rigidez dieléctrica del acetal - polivinilo para hilos, medida entre conductores (a base del catálogo Aismalibar) -91- \. ' T'ig- 4.3 Rigidez dieléctrica de presspan (traasformerboard) (Weidmann) en. aceite -92- las características dieléctricas de los mismos materiales .obtenidos del libro anteriormente citado (12) constan en la Tabla -4.1. Tabla 4.1 •.Características dieléctricas de los aislantes para transformadores MATERIAL °c . TUENTE 6- ' tg ¿ (%) Iriacetato de celulosa CES/FK - 3,5 - 6 3,0 - 4,0 Tereftalato (Mylar)' CES/EK - 3 0 , 2 -10,0 Resina epoxidica CES/FK- 335 - 5 0,03 Press pan ROTH — Aceite mineral CES/FK 20 4 - 4,3 " ' 1,0 90 4 3 2 - 4,5 20 - 100 2 - 2,3 - 0,1 0 - 1,0 En el cálculo de los coeficientes' de seguridad de los mateeriales aislantes utilizados en este diseño y que se expone a continua ción, los valores de constantes dieléctricas y rigidez dieléctrica (E/\n tom 1. BTl - AT2 en el núcleo presspan 2.- recubrimiento aislante del conduc tor BT1 AT2 Ad = . A d AT = d = aislamiento completo del conductor 0,1 rom Ad BT = 0,127 mm 0,05 + 0,063 • ' - -93Xas características dieléctricas de los aislantes: £± • • Aislante .(mm) 1. Presspan Standard en U E ' t i i (KV)' (KV/mm) 1,75 27,5 0,1135 65 • 48,125. 4,15 -Aceite .2. Esmalte sintético 7,37 4 para la tensión de prueba de 34 KV, el campo medio vale: P _ _ 34 nQ Y - 7 í ;+r A 1,75 Ü3 La intensidad media de campo para la capa i ,. KV mm será, ya que se admite que los electrodos son prácticamente planos: E. 1 ~ fx (/'I _ ? '_7S 34 .1^4,15 _r n , 1XJJ 1-ns >\ U 4 _ r 75/545 (£ i . „ , KV/mm *- - Efectuando los cálculos de los factores de seguridad; • Aislante • E. 3. ^ •E f.s— . - E. ( KV ) - 1. Presspan Standard en Aceite : 2. -Esmalte Sintético - ' U. - O i i (KV) 18,2 1,52 31,85 * 18,87 3,44 * 2,14 U = 33,99 E i -94.2. Separación BT1 - AT2 con el d u c t o - d e refrigeración: 1. -prespan 0,25 -I- 1,5 mm 2. recubrimiento aislante total del •conductor BTl A -d AT 2 'd = 0,1 - + ' 0 , 1 2 7 - = 0,227 mm = 0,1135 mm 3. ducto de refrigeración: 6 mm Procedimiento igual que en el caso anterior- Aislante • 'T' (mm) (KV/mm) (KV) 48,125 1. Presspan Standard en Aceite 1,75 27,5 2. Esmalte sintético 0,1135 65 3. Aceite 6. Em * 34 1,75 + 0,1135 rf 6 La intensidad media de campo en la capa = 1,75 0,1135 4,15 4 . 13,5 4,32 6 +2 , 2 7,37 81 KV/ram i *. 10,7 34 Bi £ UAi KV/ 4,15 4 -2,2 •95-' Tactores de seguridad; Aislante • E, i . 1, Presspan Stand.ard ^ . £ . S. — 2,57 EA . Ai U. = Z. x E. i (KV) 1037 • 4,497 24,3 0,303 en Aceite 2. .Esmalte Sintético 2,77 3. Aceite 29,16 U = 33,96 P KV • En los dos casos el factor de seguridad minirao es 1 3 5, que asegura el diseño; -lo se debe señalar que la rigidez dieléctrica del • aceite puede disminuir a la-mitad p o r , e l tiempo de servicio,.lo que -hace necesario mejorar las condiciones para la conservación del aceite. Como la separación AT2 - BT3 se diseñó para que soporte la ••tensión de prueba de impulso de onda cortada que" es un 15% mayor que .la de onda completa, con un cierto factor de seguridad: 1,5 . 95 KV (BIL) a este valor corresponde 50 KV r . m . s . según lo indicado en el literal 2.2 de que la tensión de impulso es. aproximadamente dos veces la ten-' sión de cresta a frecuencia-industrial durante 1 minuto. . . Para la tensión de prueba dé 50 KV r . m . s , , los aislamientos tendrán 'los siguientes factores de seguridad 1. • . '. Aislamiento AT2 - BT3 en el núcleo 1 1.- presspan • 4 mm 2.— -esmalte del conductor •A'd = 0,227 nnrr ' d = 0,1135 mm - -96.Características dieléctricas de l'os aislantes: Aislante TU. i E (mm) (KV Arara) _. Presspan Standard en . i U 19 • i (KV) ' 7 6 4,15 ' -Aceite .2. Esmalte sintético 0,1135 Intensidad media de campo en la capa Ei 65 7,37 4 i ° Tactores de Seguridad: Aislante E. ^ x. s. = EA . Ai U. = S". x E. 1 1 1 (KV) 1. ' Presspan Standard 12,14 1,56 48,56 . 12,59 5,16 1,43' en Aceite 2. Esmalte sintético 'U = 4 9 , 9 9 - KV P • -97- 2. - Aislamiento AT2 - BT3 con el ducto de refrigeración 1.- -esmalte del-conductor: 0,1135 mm .2.- presspan:' 3,754- 0,25 = 4 mm .BT3 AT2 3.- ducto: 6 mm -Características dieléctricas de los aislantes: • E -.Aislante U i (KV/mm) ' (mm) 1. presspan Standard' i (KV) 19 76 65 7,37 4,15 en Aceite 0,1135 .2. Esmalte sintético 81 3. Aceite 50 •= Intensidad media de campo en la capa •. 4,94 KV/mm i : 50 0,1135 4 • .2,2 = 2,2 13-, 44 KV/mm -98Factores de seguridad; Aislante E . ' i ' . ,. £..s. = E A . Ai U . = ZT. x E . 1 1 1 i 1. Pres-span Standard 3,238 • (KV) 5,86 12,95 19,34 0,38 -en Aceite :'2. Esmalte sintético 3,36 3. Aceite 6,10 - 2/21 " -• 36,65 U. = 49,99 P En igual forma que para la separación BTl - ÁT2, cientes de seguridad para la separación •--que xatifica el diseño; los coefi- ÁT2 - BT3'están sobre 1,5 lo respecto.al coeficiente del aceite de 2,21 en .Tazón de que su rigidez dieléctrica disminuye .con el tiempo se deben tomar medidas para la correcta conservación del aceite. d) Diseño complementario a los devanados. Una vez diseñados los devanados, faltarla señalar las dimen- siones de los- aislamientos qué complementan el conjunto de devanados y cuyos valores no se basan en criterios eléctricos de aislación sino que aseguran y dan uniformidad -a los devanados, - -99Estas distancias se señalan en el siguiente diagrama y valdrán, de -acuerdo a las distancias eléctricas ya establecidas: 57 93 l.~ -presspan cabezal BT1 - BT3 = 4 mm 2.- presspan cabezal AT2 = r\ 3.-. presspan entre 10 -mm ' BT3 y N Ú • - 4,0 mm m -DIAGRAMA . 4.2 ' ;• .' . •^ Tara determinar el valor de (3J debemos señalar que la úl tima capa de BT3 irá aislada con tancia disponible para ' 5. ,- " 4 mm = 3 2 capas de 0,25 mm; luego la dis- será: 57 - (1,5 + 7,3 + 1,5 + 31,1 + 3 , 8 + 7,3 + 0,5) Longitud de las espiras medias en los devanados Para devanados concéntricos circulares o rectangulares rige la expresión: LEM = p + 2 7T Y donde: p y es el perímetro del alma de los devanados • es la distancia del alma a la espira media de cada devanado \- Considerando un radio de curvatura de 2,5 tnm para el presspan base, el perímetro-del alma valdrá:' p = 2 (93 f 136 + 5) = 468 mm •y la longitud de la espira media para -BTl: 2Y = LEM = ÁT2; 2Y = LEM = B-T3: 2Y = LEM = 6. 2 . 1,5 + 7,3 = 468 .+ 32,36 = 10,3 mrn 500,4 rom = Im 10,3 + 7,3.+ 4,7 . 2 + 34,2 = 61,2 468 4- 192,2 = 660,2 mm = lm. 61,2 + 34,2'+ 2 . 7 + 7,3 = 468 4- 363,4 = 831,4 mm = 116,7 . ' Im Peso de los devanados Aplicando la expresión 2.7 a cada uno de los devanados 3 y para un Pcu = 8,9 Kg/dm s •se tiene: BTl: n = S = lm..= Ge = AT2: 22 + 1 = 45,5 0,5004 mt. 4,66 Kg. n = 1.487 S = 1,307 23 espiras para la longitud fisica del devanado 2 mm mm Im = 0,6602 mt. Ge - 11,4 Kg. ; " .' • . ' ' -101/ BT3: n = 23 S • = Im = Ge = . 45,5 mm 0,8314 , 7,74 ' mt Kg. Peso total devanados: 4.4 . 23,8 Kg. Cálculo y Comprobación, de las características y constantes del tr ans formad or - Á continuación a partir de los valores encontrados en el d_i seño se determinarán las pérdidas y rendimiento del transformador eva- luadas a 75°C 3 que deben estar dentro de los límites que aconseja la práctica y que se señalaron en el capitulo II, según el valor de estas pérdidas se determinará la validez del diseño realizado. a) Pérdidas. fijas,- De la figura 3.1 y a 16,5 Kgauss corresponden 0,7 W a t t / I b . , con este .valor incrementado 10% y para el peso del núcleo de 59,84 Kgr. se obtienen: WL n =. '100,6 Watt; "U/, n = 0,402% b) Pérdidas variables.- Esta clase de pérdidas se determinan según la expresión 2.12 10 • cu 2,37 ~ cm P cu = donde: 8,9 2,29 * Kg/dm 3 2 Ámp/tnm r 2 2,51 Amp/mm (literal 3 . 3 ) ' -102- - devanad o BT1: 65,0 Watt ...--devanado. BT3: 191,0 Watt -devanado AT2; 107,9 Watt -.Pérdida variable Total, Wc = 363,9 W a t t , o -Las relaciones: rrWc = 0,276 in = • . WV - TTWc = "U/ 1,45% 0,525 Lo que significa que el máximo rendimiento se produce a un valor de 527o • la carga, nominal; zando in el máximo rendimiento se obtendrá reempla - en la expresión: -max _ 1nn ~ • 10U 100 ( ^ v in - 'i W c) n / (13) — 100 eos f , + U^h + i -uj -— n c i n = 98,127o J El valor del rendimiento para la expresión: 2.8 y vale ^7 = para: eos 'J¿ = 0,-8 y a 75°C viene dado por 97,747o ' , = 464,5 = 1,85% Watt de la potencia nominal • . -103- Tanto el valor de las pérdidas totales como el valor del rejí dimiento están, de acuerdo a valores que son comunes y que se acostumbran en los transformadores en servicio; l o - q u e ratifica el diseño realizji do. A continuación se calcularán ciertas características y cons tantes del transformador 1.. diseñado, como son: Resistencia de los devanados.- Los valores de resistencia de los devanados vienen dados, por la --expresión y para 2.15: e cm = 2,37 2 cm • en el devanado BTl: n - 22 s = 45,5 1 m = 0,5004 R = 0,00573 n = 22 s = 45,5 mm. 1 m = 0,8314 R = -0,00952 2 mm mt. (-0.) en el devanado BT3: mt (ja ' -104en el'devanado ÁT2; .. •' n =1.416 •s = 1,307 1 . = mm 0,6602 R - .16,95 :pr 2 mt. (.n.) El valor de la resistencia total del transformador referida al lado primario, según la expresión 2.16 viene a ser para la posi- ción normal del cambiador de derivaciones: R = 16,95 + 0,01525 \ 32', 74 x 1.035,668 (.n.) -. ' y en tanto por ciento del lado primario: P 2. 1,41 7o Reactancia de dispersión.- El valor de" la reactancia d e ' d i s p e r sión para este transformador viene d_a -do -por la expresión 2.14, donde los siguientes valores son deduci - dos de las dimensiones del conjunto de -devanados y son las que se seflalan en el diagrama 2.1: ' t.. = t- H = 34,2 mm t a • = = 7,3 mm 4,7 - mm - . mm t. b = 7,0 1 = 16,25 cm -105p = p — 660,2 m 468 -f 2 Tí . 1,5 = 477,42 mm mm P2 = pm + 2 TT (17,1 + 7 + 7,3) = 857,5 .mm A^ = t 2 -A^u tb = „ [p + 2 TT ( 7 , 3 ' + 2,35)] t bt * ÍP I m = 2,528,8 mm + 21T (17,1 + 3,5)1J - 5 . 5 2 7 , 4 TI 2 El valor de la reactancia de dispersión referida al lado primario .-valdrá: 2 1 XT Jj 8 =...Ji 9 7 x l - 4 l 6 x 6 0 » x l ° 16,95x10 = 27,46 .' - [ 1.245,4 +-7.526,3 4 2.002,8 f 2.528,8 f 5.5 2 7,4 L J (A) y en tanto por ciento referida- al primario P .3. x = 1,18 % * Valor en tanto por ciento de la impedancia del transformador 2 x 4. ¿ 2 + p ^ r = 1,83 3 Cálculo "de la corriente en vacio del transformador.- Cuando un núcleo ferromagnético se somete a un f l u j o alterno siempre se producen las corrientes parásitas y de histéresis dadas por las pérdidas en el hierro, por este motivo' la corriente en vacio del primario debe considerarse como la resultante de dos componentes, una -106de ellas I es la verdadera corriente magnetizante y está en fase mag con el f l u j o aplicado,, la otra, componente I , en fase con el voltaje aplicado, es el valor de la corriente de pérdidas magnéticas o pérdidas fijas en el hierro. Conocemos que I = mag 0.0496 Amp = 1,51% I pr Del valor de pérdidas en el hierro tendremos la corriente de pérdidas magnéticas: 100,6 7.620 Watt luego la corriente en vacio .valdrá: I o = \ / I y u 2 + 1 2 mag = . 0,0512 Amp. -r que en tanto por ciento de la corriente nominal primaria vale: IQ 51. = 1,56% Determinación de la regulación del transformador. Considerando el diagrama vectorial del circuito equivalente simplificado del transformador referido al lado primario, se obtendrá el valor de la tensión secundaria bajo carga V P 2 f y' + V -eos L S e (e - f )I es] V: + [v . sen (e - f ) |_e e s -107-- y e X , . e• resistencia e impedaacia .equivalente del transformador. p V 1 P . R ^ = -= P P -r X e KVA V 7.620 Volts. = Ámp 39,6° , ' * e = 138,91 Volt, • vale: V V x V s --para el caso de .V 88,56 El.coeficiente de regulación eos J = .0,8.; • para .3,28 -107,3 © e I 25 7.620 eos 1 ; 100 V = 7.481,24 7o-R « 1,85 7, V % R Volts ' 7.512,45 Volts = 1,43 -1084.5 Esfuerzos mecánicos en Cortocircuitos Las fuerzas mecánicas desarrolladas durante un cortocircuito llegan a ser importantes ya que dependen del rriente, que en cortocircuito l l e g a _ a ga, por lo tanto de la co- 25 veces el valor de plena car; es . necesario determinar soportan esos esfuerzos cuadrado si los devanados, y núcleo y en qué medida. Según lo anotado en el capitulo anterior el valor de la corriente para el cálculo de estos esfuerzos en el transformador es del orden de: I = ce (1,6 x / 2), 25 . I n r.m.s, = 56,5 I n r.m.s. y los valores máximos de sobrecorriente valdrán: n pr = 1416- espiras I = 56,5 I = 56,5 1 pr c . p ' s = 185,32 Amp = 5.885,605 Ámp debido a que el devanado de alta no posee iguales dimensiones que el de b a j a y para considerar el máximo esfuerzo, 1 = 14,1 cm = 5,551 plg; entonces el valor de la fuerza radial según la expresión 2.17: — c a) . Esfuerzo radial = 34,1026 " Lbs*/plg • - y Calcular el esfuerzo global radial sobre los devanados de baja seria inexacto, debido a la presencia de los dos conductores en paralelo y a -109-que los devanados, con el aislamiento a base de resina "epoxy .adquieren una resistencia adicional. . ' A -esto se agrega la circunstancia de que los esfuerzos de ^cortocircuito, debido a los sistemas de protección duran menos de un • j segundo lo que hace imposible aplicar las leyes normales de esfuerzos y .fatigas. Tor todo esto la Westinghouse Electric Corporation, bas'áñdo•.rse en pruebas .de laboratorio y en años de experiencia ha determinado '.que un valor máximo de esfuerzo de 10.000 psi puede ser: soportado •.sin causar alargamientos permanentes -en el cobre. Las fuerzas radiales totales sobre los devanados secundarios valdrán según ,1a expresión para: n • . = 22 . sec n IEM = 500,4 E " 3 - 695 » 17 y los esfuerzos -long 2.18: mm ' Lbs* " = sec IEM F = = • 22 831,4 mm 6.139,43 Lbs* '" sobre la sección' transversal de- los devanados, para BTl - BT3 = 147 mm y un espesor de 7 mm para -las dos capas -de conductor; 2A <3~ = 1.158,4 •1' • . '- = 2 . 7 . Lb */ - 2 s plg • 147 = G~ 0 = 2 2.058 1.924,64 mm2 Lb */ ' 2 s plg Por lo anotado anteriormente los dos devanados y más' aún el BTl ubicado junto a la columna central «del núcleo, cumplen con lo recomendado 'por la Westinghouse; señalando que el esfuerzo normal en 2 . • Lbs*/plg para un conductor de cobré de las dimensiones de 3,5 x 6,5 mm está por los 25.000 psi. -110- b) Esfuerzo axial. Un método aproximado para calcular el esfuerzo axial producá. do por la falta de simetría d e - l o s devanados, que resulta en una va- riación de la forma de las líneas de f l u j o disperso, consiste en calcular la fuerza total radial de cada devanado multiplicada por el seno del ángulo formado al desplazarse los devanados. En todo caso este método proporciona un valor superior al real según lo comprueba Westinghouse en sus experiencias. Valor de la fuerza total en cada devanado, considerando el máximo desplazamiento del devanado de alta: - T2 T1 6 = 14,6°; sen 6 =. 0,252 = 16,2°; sen = e•^0.65 De acuerdo'a.la expresión F a = 1.030,9 2.19 Lbs* - las fuerzas axiales valdrán: = 1.547,14 Lbs* 0,279 -111.Debido a la presencia de estas fuerzas, -las columnas del núcleo esta-rán sometidas a los esfuerzos del diagrama: el mayor esfuerzo se presentará en las -columnas laterales ya que poseen menor •sección y valdrá: cr = F a + A í1 b Z. B = 271,3 Lbs*/plg' donde: A , ' P área de la lámina - = 136 . 0 ^ 2 8 ' ' Z' , número de láminas en la columna = '38,08 - 161 ' 2 mm' Según las características de las láminas USS Oriented Electrical Steel Sheets 3 el esfuerzo a la tracción longitudinal de las láminas es de 51.500 psi; valor que -es muy superior al - esfuerzo encontrado, lo que demuestra que el núcleo es capaz de soportar con s_e guridad los esfuerzos de cortocircuito. • De lo expuesto anteriormente se deduce que 'el elemento de sujeción del núcleo y devanados no debe reunir ninguna característica especial en cuanto a resistencia y rigidez, aunque de todas formas proporcionará una resistencia adicional a los esfuerzos de cortocircujL to. • -112- 4.6 Pérdidas y Refrigeración: Diseño del Tanque En transformadores de gran potencia, las pérdidas y su refri -geración determinan básicamente el diseño del transformador; para la potencia.de diseño de este transformador, el tanque dimensionado de :.-acuerdo a las disposiciones fisicas y de espacio de los elementos será -suficiente para disipar las pérdidas. El método a seguirse en este diseño., consiste en determinar en" primer lugar las dimensiones del tanque según disposiciones físicas y luego verificar si este diseño proporciona los valores limites calentamiento de los diversos elementos señalados en el punto y tomados de las normas 4.6.1 a) Diseño del CE1.. • ' tanque. de 2.5.2, .- • . . Dimensionamiento del diámetro del tanque Para su determinación debemos considerar que en base al di- - seño de los devanados ya realizado to Í3e devanados de la figura y según la disposición del conjun 4,1., la profundidad de los devanados -valdrá: . .alma .. . •radios alma presspan base devanado . m separación BTl - ÁT2 ducto en AT2 ducto AT2 - BT3 mm' 1,5 mm 2 x 7,3 mm , 2 x 6,25mm ' 2 x 1,5'mm • 2 x 6 2 x 31,lmm • . .2 * 2¿5 x - devanado ÁT2 inm 2 BTl ductó BTl - ÁT2 "136 . mm . 2 * -6,25mm . -113- -separ ación AT2 - BT3 --devanado " BT3 aislamiento final . 2 x 3,8 mm 2 * 7,3 • mm 2 r Profundidad devanados: 0,5 mm 284 mm • Considerando que la distancia minima de la cuba o tanque .a los devanados dada por la curva-de la figura 2.3 es de 30 mm, el ' diámetro -minimo será de 34,4 cm; .para dejar un espacio conveniente a los elementos de sujeción del núcleo a las paredes del tanque, el^diámetro final será de 36 cm. b) * Determinación de' la altura del tanque Siguiendo las disposiciones fisicas de los elementos tenemos que la altura total del. núcleo es de 2655 .cm a lo .que se -agrega 0,5 cm • debido a las pletinas de sujeción y elementos de armado del núcleo. El nivel de .aceite sobre el núcleo según Kuhlmann (14) debe .tener un minimo de 5 cm, en este caso debido a la presencia del cambia- . " •-dor -de "taps11 que debe estar sumergido, en aceite unos 16 cm. , ver apén -dice II plano TM25 - 5 y.del soporte de este cambiador nos fijaremos -una altura del nivel de aceite sobre el núcleo de 22 cm. altura que pue vde ser modificada al realizar el cálculo del calentamiento respectivo. 'Finalmente de acuerdo a las dimensiones del "bushing" de al- ta, indicadas en el plano TM25 - 4, la .longitud que penetra en el tanque es de 18,4 cm. y por razones de espacio con la manija del cambiador de "taps" la altura conveniente a la tapa será de 20 cm. En tapa definitiva la altura viene a ser tapa es de 69 cm; del. tanque, si la altura de la desde el fondo concavidad a la de la 5 cm. incluyendo el cerco de la tapa, el .espacio disponib'le para -114-' la ubicación 'de los . "bushings" de b a j a sobre el nivel de aceite es de 17 era., espacio adecuado para las dimensiones indicadas en plano 4.6.2. el TM25 - 4 Cálculo del Calentamiento La comprobación del diseño del tanque exige' el cálculo del c-alentamiento de las distintas partes del transformador, este cálculo •se-realizará en base a los-criterios y experiencias de la Westinghouse Electrical Corporation .a) (15) Determinación del incremento de temperatura en el -nivel superior del aceite. Las.pérdidas se disipan por.convección y radiación depen diendo del incremento de temperatura de la superficie sobre la del am -biente;' el transformador posee varias .zonas de radiación y convección con los siguientes valores d-e incremento de temperatura de su super íicie según "Westínghoiise (15), relacionados con el incremento de tem•rperatura sobre la del ambiente para el nivel superior de aceite (T o .Superficies de convección: ' " ! ' 1.. Pared del tanque, fondo - tope del núcleo Incremento de tempe -ratura -T atura (C T ) n ' • .2. Pared del tanque, núcleo - nivel de aceite 0,7 T ' . 0,85 T 3. Pared del tanque, nivel de aceite - tope tanque 0,5 4, -Cubierta del tanque, 0,333 T ' ' ): o T o -115- .Superficies de radiación; Incremento de Temperatura (C n T ) o • a) fondo - tope del 'núcleo 0,7 T • o b) tope núcleo - nivel de aceite .0,85 T 1. Envoltura, lados sin radiadores .2. Envoltura, nivel de aceite - tope 0,5 o 1 o tanque • 3. Cubierta . . ' En todos los casos . 0,333 T o T , es el incremento de temperatura 'sobre la del -ambiente, del nivel superior de aceite El cálculo del flujo de calor se realizará en .base a las s_i guientes expresiones prácticas (15): ^radiación convección : Watt/plg = 0,0019 T .*25 : Watt/plg = 0,00134 T1*25 ' = K- T1*25 Considerando'las diversas zonas de flujo se llega a la expresión final; • T = o - j Watt \ a disipar ., nr- I ' • v 0,8 \l I J donde: A 2 : área de cada zona en plg- Cn : K n : constante para radiación o convección coeficiente de multiplicación de . T^ r o r -116- .Para las siguientes dimensiones del transformador: altura del -núcleo, h. = 27 cm -aceite sobre núcleo, a. 3- - 22 cm "h = 14,7 cm a = 28,1 cm . G = 49 altura de devanados, .:,-áceite -sobre devana- • c dos .altura del .-aceite 36 DIAGRAMA cm cfh 4.3 100,6 •pérdidas en el hierro -pérdidas en el cobre = . 363,9 Watt . 1,05 « 382,1 Watt •para el "tap."' de-5% = - 482,7 Watt •pérdidas totales El valor de T calculado con la expresión final y para las •dimensiones anteriores es: T = o 'este valor sobrepasa los 65-,l°G 60° G que establece la norma CE I 76, 6, 17; incrementando la altura del nivel de aceite sobre el núcleo a = 32 cm tenemos que: T o = 58,6°C a -117valor éste que cumple con la norma; ra del tanque en 6 cm. es necesario incrementar la altu_ para disponer de 13 cm. sobre el nivel de. - .aceite para ubicar los bushings de baja; las dimensiones definitivas tanque ser-án: a. = " 32 .a = 38,1 '.cm = 59 3. . . . . . c G . cm cm ' altura total del transformador:- 75 .altura del 72 • cm tanque:_ ." concavidad de la cubierta .cerco para la cubierta b) : • cm 3 cm 2 cm .Determinación de la temperatura .promedio de los devanados Como la velocidad de circulación del- aceite .es •de las relaciones entre las dimensiones del Diagrama 4.3 función y la ve locidad a su vez influye en la relación de temperaturas tope/prome dio del aceite; K.W. Jphannsen te las curvas de la Figura (16) determinó experimentalmen^ 4.4.3 que se aplican a transformadores con devanados concéntricos y que expresan la relación entre dimensiones y los incrementos de temperatura:• las -118- .2.0 Fig. 4.4. X = Relación de incrementos de temperatura Tope/Promedio en el acei- te en función de la razones de dimensiones De la figura a 4.4. y para las pérdidas ea el hierro: / G = 0,542 h. / G = 0,457 X. 1,2 -119- .Para las pérdidas en el cobre: a h c c / G 0,645 / G = 0,250 X = 1,15 c .el valor para -el transformador total: • f . • +-transf X = 0,250 ' V .i . • W, / a + 0,910 - V X 1,16 . c " W * .• asi el incremento de .temperatura promedio para el aceite valdrá: T op = T / X o t = 50 3 5°C •Debido a la presencia de barreras separadoras y ductos de ventilación, la determinación analitica del flujo de calor por convección natural desde los devanados al aceite no es aconsejada; Westinghouse (17) ha determinado las curvas practicas de la figura 4.5., para hallar la d_i . ferencia. de temperatura entre él incremento medio de temperatura cobre y el incremento medio del aceite.. • del -120- •20 18 o o i 16 ' 14 12 -10 Q2 0.4 0.6 0.8 LO 1.2 1.4 Watt/plg2 Fig. 4.5 Gradiente de temperatura media entre el cobre .y aceite • .La convección de acuerdo a la figura 4.5 viene a ser la mij[ •ma para dúctos entre 1/8 - 1/2 plg., sin embargo,,el tamaño del duc tó influye en la circulación de aceite para dúctos de mayor tamaño. Para aplicar la figura 4.5 necesitamos determinar la 'su perficie eficiente de cada devanado, teniendo en cuenta que las dos superficies laterales están influenciadas por la presencia de barreras separadoras y dúctos de ventilación junto a ellas. -121- S r ef = 2 x LEM x altura del devanado x f.a. donde: f . a. , factor de aprovechamiento de las superficies -para el -devanado BTl: f. a.' = 0,75 por estar una. cara junto al núcleo S ef W /S = 0,365 Watt/plg 2 •para el devanado AT2: f.'a. = 1.5 aunque posee un ducto intermedio^ se encuentra entre- BTl - y BT3 S f • 1,05-W /S c et = 432,86 = 0,392 Watt plg para el devanado BT3: f. a; = • 1,25 - . S ef W /S plg 2 • •. . ' * ' ya que tiene una cara al exterior = 492,9 plg 2 - 0,219 Watt/plg -122- : Desacuerdo a la figura 4.5 los incrementos medios de tem- peratura de los devanados sobre la media del aceite de T op « ; 50,5°C, son: "BTl = 11,5°C AT2 = 13 5 8°C BT3 = 8,3°C Todos estos valores no sobrepasan el incremento limite de temperatura p a r a - l o s devanados que es de 65°C según la norma 6, 17; para determinar la temperatura del punto -más caliente de ca- da devanado 4.6.3. CE!, 76 3 las normas alemanas admiten un incremento máximo de 10° C. Sobrecargas temporales. . El transformador debe ser capaz de 'soportar las siguientes ^sobrecargas: •a) De larga duración.- . Las sobrecargas indicadas en la Tabla 2.3 -son las permisibles para un transformador, produciendo una disminución-del 1% en la vida del transformador es decir de la vida del aislante; : siempre y cuando no produzcan la - elevación de temperatura sobre los limites' máximos. b) De cortocircuito.- Para determinar la habilidad de este transformador en soportar cortocircuitos de acúer_ do a lo señalado en el punto 2.5.3: -123- para: T - o 105°G J =2,51 S - 2 X = . 25 Ámp/mm 2 segundos 250°C según la Tabla 2,3 .luego: 1/2 (T y de la Tabla 2,4 la expresión 2.13: T- Como T < T = o + T ) 2 = interpolando: 105 + 64,18 177,5°C a = = 8,15; finalmente aplicando 169,18°.C. y de acuerdo a la norma GEI 76 3 sección 8; el trans£or_ mador es capaz de soportar los requerimientos térmicos de un cortocircuito. 4.6.4. . • Determinación del grosor de la chapa y peso-del tanque. El tanque del transformador es de acero, cortado en planchas y soldadas formando un todo homogéneo, los aditamentos necesarios van soldados al tanque. -124Según la Escuela del Técnico Electricista (18) el grosor mínimo de la plancha es función de la presión de aceite que debe soportar y aproximadamente vale; t = 3 H donde: t = espesor de la chapa . .• H = altura del transformador en metros luego: = t en mm I394~2mm Peso aproximado del tanque, incluyendo la cubierta: P t = V t x . 3 C/ac = 7,8 P = espesor *. densidad plancha . - Kg/d m (área lateral + área tapa y fondo) x </ac P t . = ' 15,87 Kgr. 4.6.5 Determinación del volumen y peso del aceite. 'Aproximadamente el volumen de aceite será'igual a: Volumen del tanque hasta nivel de aceite TT i j i núcleo - i -Volumen del = 60,05 dm 60 • Kgr. a— 7,65 Kgr/dm3 = -Volumen de los devanados Volumen de aceite = = 2 ^~r 8,9 Kgr/dm 3 49,56 dm o = 13,1 galones 2,67 dm U;S. 3 ' . ' -125- Peso específico del aceite = Peso total de aceite = 44,5 -4.6.6 • • Kg - 60 ' - Kgr. Peso devanados: .,^23,8 Kgr.. . -Peso tanque 15¿87 Kgr. • Peso Aceite -44,5 . Kgr. Aisladores, cambiador Peso total: 4.7 3 Peso aproximado total del transformador: Peso núcleo: V 0,898 ,Kg/dm 169,7 Conexiones: y varios 25,5 Kgr.=170 Kgr-375 - . Kgr. Zbs ' . conmutador, devanados de alta -y- baja tensión, bushings'^ polaridad a) Conexión general del transformador • . .La conexión comunmente utilizada es aquella de derivaciones en el primario y que permite obtener los KVA nominales del secundario a un voltaje constante independientemente de variaciones en el voltaje primario; como se hace necesar-io aumentar -el -devanado primario en -una fracción K, es obvio que el transformador -es equivalente en tama- -ño a uno de (1 + K/2) KVA n Al tipo de conexión mencionada se la conoce generalmente en la industria eléctrica como 'Derivaciones o Taps a plena capacidad" 3 -sus características se observan en el siguiente diagrama. -126- t AT - AT. 3T 'DIAGRAMA . 4 . 4 • Cabe señalar que las mayores péídidas en el cobre ocurrirá para el '. menor tap y que la mejor eficiencia y por lo tanto las menores pérdidas ocurren con la extensión total del devanado. .En el devanado de baja -se obtendrá 25 KVA a 240 Volts 12,5 b) y KVA" a 120 Volts. Conexiones en el devanado de alta' 1 •• El -devanado de alta está diseñado para trabajar a un voltaje •nominal de 13.200/\/T Volts, con El cambiador de "taps11 para + • 2,5% + 5% "taps", que se opera sin carga, es del po rotatorio con 5 posiciones; ti- las derivaciones deben estar ubicadas en la mitad del devanado de alta para evitar los esfuerzos mecánicos axiales y la presencia de tensiones de impulso en esta zona. Los terminales del devanado de alta y sus conexiones al cam biador para obtener lo.s valores deseados de regulación, se observan -• claramente en el siguiente diagrama. -127- Po slcion , m, -i- 5 % i 1 ?. 1 1 i f2.5 % i 1i 3 i 1 i 1 || 1 4 Nominal - 2.5 % • -.5 % 1 [JJJJJJJJ '. 'DIAGRAMA i 5 Espiras por 11 Ta p = 35 4.5. Para hacer las derivaciones, se quita el aislamiento en el punto adecuado y en este sitio se suelda la derivación que va aislada en un tubo de espesor 2 x 0,25 rnm de presspan; además en el sector de los.devanados el tubo se cubre exteriormente con dos capas de papel de 0,25 mm a cada lado, el papel será de características s_i muarés al de las entrecapas. El terminal del principio del devanado AT2 tiene forma de argolla y va conectado a la estructura o ferretería que sujeta al nú cleo, la cual a su vez debe estar conectada al tanque y a tierra. El terminal -del final del devanado AT2 irá soldado al terminal del bushing con el tubo aislante correspondiente. Todas las sueldas en este' devanado son de es'taño y van ai ladas con papel crepé. -128- •c) Conexiones de los devanados d.e b a j a . Debido a que los -terminales de estos devanados deben ir F los en pernos d e - l o s bushings de diámetro 3/8 plg. - 9,5 imn, .las. dimen — piones de los terminales a más de cumplir con la sección del conduc 2 •tor de baja de 45,5 mm deberán tener na ancho mínimo de 20 mm. ' •• Tastos terminales no requieren de aislamiento especial pero por razones constructivas se adoptará una funda de presspan de 0^25 mm;' Xodos los terminales irán soldados con plata. -Para su identificación .a los terminales de los-devanados baja se los marcará internamente'con las letras A, B, C, D de y ' su co .nexión estará de acuerdo a la polaridad indicada para este transforma dor. ' . El bushing de baja del medio irá conectado al tanque exterior; "mente, constituyéndose en el neutro del transformador. d) Polaridad ' . . .Para dos' o más transformadores que van .a conectarse en para . lelo en una red monofásica o si se han de interconectar en un sistema -polifásico, se hace necesario conocer en cualquier instante las polaTidades relativas de los terminales de los 'primarios con objeto de que las conexiones se efectúen y 'secundarios, correctamente. Para lograr una identificación sistemática de la polaridad, la American National Standard con su norma ción _ 5 •1 * 2-* designa al terminal de alta con "3' H- C . 5 7 . 12. 20 - 1974, y a los de B a j a sec- con -129Esta -norma especifica que los transformadores monofásicos hasta 200 KVA inclusive, -diseñados en alta tensión hasta 8-660 Vol- tios inclusive, tendrán.polaridad aditiva según se muestra en el siguiente diagrama que generalmente .se incluye en la .información de .la placa del transformador. DIAGRAMA 4.8 4. 6 . ' Su-jeción del núcleo,, devanados y cambiador de "taps" • i • Todo el conjunto de núcleo, devanados y cambiador de "taps" se sujeta a la estructura de soporte del núcleo o ferretería como se le conoce comunmente; tes: los detalles de esta sujeción son los siguien* •-"130- ,a) Sujeción del núcleo -r a los núcleos una vez armados se los aisla con una capa de presspan y se los engancha con una cinta .de acero. - el conjunto va colocado entre dos pletinas de acero liviano asegura das entre si por zunchos -•una vez constituida .la ferreteria se debe prever unas pletinas para .sujetarla a los costados del tanque b) Sujeción de los- devanados - Los devanados se sujetan a las pletinas de la ferreteria por unos -peines de bakelita ubicados a los costados y- en los extremos supe -riór e inferior del núcleo. • . . - estos peines deben poseer unos canales para permitir ubicar el .pres_s_ . .-pan cabezal de cada devanado c) . ' Sujeción del cambiador de "taps" — ..Se debe disponer de una pieza de .presspan o madera sobre la ferrete xía superior, provista de agujeros por los que pasan los terminales ..del devanado AT2 y sus derivaciones - -debido a que el nivel de aceite está a 32 cm del núcleo, es necesario disponer en la pletina superior un arco soldado de unos 16 cm de .altura para sujeción del cambiador de "taps" — .los terminales de las derivaciones van conectados a los espárragos de cobre del cambiador, que se los comprime, el diámetro de estos es.párragos es de O .,125 plg*. - 3, 1 mm d) • _ Puesta a tierra de la ferretería — con este fin se introduce una lámina de cobre en forma de U en la columna central de los dos núcleos contiguos finalmente con un alambre de cobre flexible, soldado á la lámina \- y a la ferretería, se conecta interiormente, el núcleo al tanque y por tanto a tierra. . . Los detalles constructivos de estos elementos de sujeción se encuentran en los planos del apéndice III. 5.1 General \- .Hasta el presente capítulo .se han-di sefíado los elementos •que componen el transformador, rigiéndose a normas establecidas y á .materiales existentes en el mercado; por medio de este capítulo se trata de señalar el proceso a seguirse para la instalación y construc - ici.ón del transformador, señalando ciertas normas y disposiciones que . --•.rigen en el armad-o y envasado d-el transformador. Finalmente se presentan dos cuadros que resumen las carac terísticas técnica y constructivas del transformador; ticas técnicas las caracterís_ que señalan las cualidades y valores nominales de tra bajo del transformador y las características constructivas que irespojí -den a esas 5.2 especificaciones técnicas. De los devanados Para este tipo de transformador acorazado, se debe proceder :en primer lugar al bobinado de los devanados .concéntricos r.ectángula-res; siguiendo la disposición -.de bobinado sería el -siguiente: a) Baja-Alta-Baja, ' . el proceso completo • ' sobre el alma de la máquina bobinadora ajustada a las dimensiones ^exactas, se coloca el presspan-base,- sobre-él se bobina la b a j a tensión e inmediatamente .se coloca la aislación BTl - BT2 cuidando que el duc to de refrigeración BTl - BT2 esté formado. b) • para bobinar se sueldan los terminales del devanado al conductor con el cual se va a bobinar., esta soldadura como se indicó se aisla con'.papel crepé, tubo aislante y la capa de presspan o insuldur. . c) retirado .el devanado de la máquina y debidamente prensado en sus . caras planas, se lo lleva al horno .(130°C)'con el objeto que polimeri. ze el epoxy de las aislaciones, pegando así la .aislación al enrrollado; -1347asi.se obtiene una superficie d u r a - y adecuada para bobinar la alta -±ensión. d') f Se bobina directamente AT2 sobre el devanado BX1, cuidando la - .formación de los ductos de ventilación y la presencia de las derivacio nes, finalmente se coloca.la aislación AT2 - BT3 -e) f .Para las derivaciones, -se quita el aislamiento en el punto adecúa .'do, se suelda la derivación'con-conductor flexible .y se la aisla como ?se indicó en el punto 4.7. f) De igual manera que para BTl, .debidamente prensada, se envia vamente el conjunto al horno g) nue para que polimerize el epoxy. finalmente se bobina BT3 sobre AT2, el conjunto debidamente pren- .sado en sus caras planas, se lleva al horno para que polimerize el -epoxy y 'se mantenga las dimensiones de los devanados. -Xas dimensiones generales de este conjunto de devanados y -rsus características principales se presentan -en el plano dé diseño :TM 25 - 2 del 5.3 apéndice III. Del núcleo • " . . El núcleo enrrollado de acero silicqso de grano orientado debe ser armado sobre el conjunto de devanados, en realidad son dos -núcleos enrrollados los que componen el conjunto; -mente el proceso comun- empleado para estos transformadores pequeños es el señalado por la Wagner Electric; a) Las láminas de acero, del ancho xequerido .se cortan en piezas longitud determinada. de -135b) Estas piezas son ensambladas en forma de toroide, el cual es lle- vado a su forma rectangular en prensas hidráulicas especiales, donde •se le colocan marcos 'de acero para que mantenga su forma rectangular. c) Las juntas de estas laminaciones presentan la forma de Zig - Zag para evitar la presencia de entrehierros. d) -Posteriormente el núcleo es recocido en hornos especiales con at- ^mósfera neutra (N2) a (punto 3.1), 1.450°? según 'la característica de la chapa - disminuyendo así las deformaciones y factor de apilamie_n to por el manejo. e) Para el armado en los devanados, el núcleo se desarma en secciones de adentro hacia afuera, se desechan la primera y -última "•procede al armado te se lo capas; se comenzando por las secciones interiores y finalme_n engancha con cinta de acero. . ' f) Se procede a colocar la lámina de cobre en forma .de "U" para conec tar el núcleo a tierra y "la pletina de sujeción inferior conteniendo los peines de bakelita para asegurar los devanados, las pletinas de -la ferreteria.se colocan sobre el papel Kraft que forra al núcleo. g) Colocada la pletina superior con los .peines de bakelita, se enzun chan las dos piezas entre sí y se coloca el presspan cabezal de cada -devanado que deben encajar perfectamente en los canales hechos para el efecto en la bakelita. • • Las dimensiones generales y características del núcleo tan en el plano TM 2 5 - 3 del apéndice III, considerando que los nú- cleos son redondeados., se tienen los. siguientes detalles: L- ' = longitud de la lámina interior L- = 2 (G + a) L» * longitud de la lámina exterior •L- « 2 . ( G + a) + 6,28 E = = 45,8 cons cm . 74,94 cm - >" ; -1365.4 De los accesorios: cambiador de "taps" , bushing Para seguir con el proceso de instalación del transformador s e - d e b e realizar la prueba de relación de transformación en todas las derivaciones, luego se instala el cambiador de derivaciones. Inmedia'. tamente se lleva el transformador al horno de secado a 105°C, el tiem po varia de 48 a 72 horas; 15 a 30 minutos la resistencia de aislamiento medida después de sacado del horno no debe ser inferior a - 30.000' Mn. :La medida de la resistencia de aislamiento se realiza: a) del devanado de alta al devanado de baja y tierra, con él devanado de baja conectado a tierra b) - del devanado de b a j a ' a l devanado de alta y tierra, con el devana- do de alta conectado a tierra. c) - . .. -desde los devanados de alta y baja juntos a tierra TJna vez obtenido el valor mínimo de' resistencia de aisla •miento se procede al envase del transformador, para lo cual se ajustan las derivaciones y se lo coloca y emperna en el tanque convenientemente secado. Por último se procede a colocar los "bushings" de baja y alta y a conectar los terminales debidamente 'identificados., se llena aceite a 25° C hasta el nivel "determinado y se emperna la tapa. de Una - vez realizado el vacío (20 mm de Hg) por una hora se abren lentamente las válvulas para la entrada de .aire, s.e. sella el transformador y^ lo envía para la pintura y capas antioxídantes finales. se -137Las dimensiones del cambiador de derivaciones y"bushings" -de alta y baja tensión previamente escogidos constan en el apéndice III, ingualmente constan las pletinas de ajuste de los "bushings". 5.5 Del Tanque ' El tanque es de acero, del espesor señalado para resistir las sobrepresiones ocasionadas por fallas internas, en este tanque -deben estar ubicadas correctamente las empaquetaduras para los ori- ücios de los "bushings" y para la tapa, estas empaquetaduras generalmejí •£e son de acrilo nitrilo. En las paredes del tanque y en la tapa se deben practicar los orificios correspondientes para los 'bushings" zuela; y para la porte- las dimensiones y forma de estos -orificios constan.en los planos del apéndice III. Igualmente en el plano TM 25 - 1 se muestran las dimensiones generales del tanque y del transformador, dimensiones que están de acuerdo a las distancias obtenidas de la comprobación de calentamiento del 5.6 transformador. - Resumen de características del transformador En los cuadros 5.1 y 5.2 se presenta un resumen con las ca- racterísticas y valores calculados del transformador diseñado, anadien dose en el cuadro .5.3 un diagrama que resume el "proceso a seguirse en forma general en la construcción del transformador -138- CUÁDRO. 5.1 Especificacioaes Técnicas Capacidad de régimen continuo " . •-a 1./000 M s . n . m . 25 KVA Frecuencia 60 .Número de fases Hz - rmonofásico Tipo enfriamiento ^autoenfriado en aceite .Tensión primaria J13200 / 7.620 V GRDY Tensión secundaria ;240 / 120 V Impedancia en base a los KVÁ 1/83 % nominales Corriente en vacio en % de la 1.56 % •corriente nominal primaria Regulación de tens.ión a factor de 1.43 % potencia 1. Regulación de tensión a factor de 1.85 % potencia 0.8 Nivel básico de aislamiento (BIL) Clase de aislamiento en el lado de -alta tensión Sóbreelevación media de la tempera- BT1.- AT2 - BT3 tura de los devanados 62 - ' 64' - 58 5 8°C "Pérdidas en vacio J.00,6 "Watt Pérdidas en el cobre 363,9 Watt Pérdidas totales • -'464,5 Watt Peso aproximado total 170 Kgr Galones de aceite 13,l.gln. U . S . - Conjunto total del .transformador en plano TM 25 - O « apéndice III . -139CUADRO Características 5.2 Constructivas . BT1 120 Volt/ devanado BT3 7620 • •120 Vuelta / devanado 22- 1486 22 I-aps ± 5 % , + 2,57. - 35 / tap - 3,28 Amp/ devanado 104,17 Conductor (mm) 2(3,5 * 6,5) Cond . Aislado (mm) 2 ( 3 , 6 2 * 6,61) 2 Sección Conductor (mm ) 2,29 Alma ( a~~ ^ b J ) (mm)' 93,8 104,17 Ó- 1,29 0- 1,39 2(3,5 x 6,5) •2(3,62 * 6,61) 1/307 . 45,5 Ámp / mm \o AT2 .2,51 * 140' 45,5 " 2.29 sobre BTl sobre AT2 Radios alma -(mm) 2,5 - Presspan base (mm) . 1,5 - - largo devanado (mm) 153 •141 153 1 16 Capas Ducto de devanado (mm) 1,5 Espesor de devanados (mm) 7,3 ; Long. espira media (non) 500,4 Resistencia / devanado (n) , Pérdida en cobre (Katt) AT2-BT3: 31,1 ' . 7,3 . 831,4 7,74 U»4 16,95 65 0,00952 .191 • Área efectiva en cada núcleo Peso neto del núcleo . 107,9 • . 61,31 2 cm 60 Kgr 16,5 Factor de apilamiento 0.97 relación voltio / vuelta 5 3 38 Pérdida en hierro 0,7 . 6 3,8 660,2 0,00573 Núcleo Inducción máxima 1 • 34,2 4,66 Peso conductor (Kg) ' - . . - Separación AT-BT (mm) - ' AT2: 6 BT1-AT2: 6 -Espesor aparente devanado • Kgauss . y '. Watt / Ib + 10% CUADRO 5.3.- Proceso de la Construcción de un Transformador Papel Presspan Hilo de Cu - Hacer A r m a z ó n ( N i . - y Aislamientos Y 1 Hierro Silicio . f * \ Cortar ( J • 1 Aceí te La'mina Fe Prensado { ] ' Preparación / \X de lamina ¿/ . Hacer Devanado ^L ( ) Horno de Re-^-k cocido 7B8°C\) Horno (I30°C)/'~S Polimerización ^p Desarmado ( \r de Núcleo ^~S j i i .. ( La'mina Psl ^ Hacer ( /"^-N . Acc.esoriosX ( \n devanados . \~-/ Armado Núcleo Aislamiento y- Cojo- /^S cacio"n de Ferretería VV Hacer \a -\r Hacer Tapa s^\s f ) V .' \-) 1 4 | Meter a horno de S e ' O O ' d o ••' - /"K Vj/ ' - ' r—( LJ D Introducir -Nú- /" cleo al Tanque Conexiones /~ Fin a le s Introducir Aceite en Tanque C o l o c a r Tapa • Hacer Vacío y S e II á d o L a b o r a t o r i o de Pruebas . Pintura y Capa Antioxitante Embalaje y Despacho C Calculo de la Reactancia de Dispersión,- La. evaluación de la reacta_n cia de dispersión es aproxi- mada, ya que deben realizarse suposiciones acerca de la longitud y • superficie del flujo disperso que se establece entre los devanados y que dependen de las corrientes iguales y opuestas de los devanados, es decir de fuerzas magnetomotrices en oposición, • Luego, la reactancia equivalente del transformador viene a ser la reactancia de cada devanado localizado en ese campo magnético y conectados en serie. •. Considerando la disposición y fuerza magnetomotriz de la figura, el flujo efectivo de dispersión será el resultado 'de sumar: - H ^ *i . dy_ dx , X .S ds — i dz ~ h- MI- i ^ H ^ 0 _F^ s ® 0 P 5 ~ h Hv pm P, , J ta i rL i th i ¡ i > • ' ~ trun. I - 2 a) la integral de flujo que enlaza y dy, en la mitad del secundario b) la integral de flujo que enlaza x dx, en la mitad del primario c) el flujo en el espacio t , multiplicado por el número de vueltas a d) los flujos anotados en los tres puntos anteriores pero para la otra mitad del devanado primario y secundario La densidad de flujo en el espacio J r • m 0,4 TT. V2 = t D o NI — - t . valdrá: a • , (gauss) donde: NI — , 1 , ' (r.m.s.) para cada sector de devanado amperios - vueltas longitud del camino del flujo de dispersión, en cm. h ^ 1 ^ Hv La densidad de flujo de dispersión en "y" será B x Y / t ro de vueltas- comprendidas dy N/2 . Y/t ; luego el flujo debido núme a será: N 2 x Y \B ~ 1 > Y~ \ • . - 1 por tud centímetro de longide una vuelta: si para el punto 'y =O la longitud de una vuelta.es interno del primer devanado secundario), p y el + 2 Tí y; '1 / ' O "p" (perímetro para v_ la longitud será: y el flujo contenido en este devanado secund-ario: o--°2 t, ¿. y (pV2TTy)dy . . - -5 2 ^- { p-h3/2 TT í, 3 1-3 . procendiendo igual para el elemento dx, se ti-ene en la mitad del de- vanado primario: H/2 R m 2 kl Qm W T H/2 } donde pm dido en d). rcí - cío es el perímetro medio del devanado de alta, el flujo compren ta valdrá: N — • B / m . A ta donde Á t = a ' t a K • perímetro medio del espa- t ; de igual manera los valores de los flujos para la otra mitad a del conjunto serán: D Pm ^ = 5 I . 2 3 , t N . B m . (p - + ó/¿ 3/2 "TT 2 + 3/2 TT t V A^K tb Conocido así el flujo total disperso y multiplicado por 4.44 * f x -10" obtendremos el voltaje correspondiente que dividido_para el valor de la corriente correspondiente nos dará la reactancia 'equivalente buscada: v * - -0,4. NT/g1. 4.4.4.f A i - 4.Lx 10 8 1-4 todos los valores de distancias deben estar en centímetros y N será el- número de vueltas del d e v a n d o - . a l cual se quiere referir reactancia equivalente. ' • - la II - 1 APÉNDICE II Pruebas en transformadores según normas CEI (Comisión Electrotécnica Internacional) • realizables en el Laboratorio de Alta Tensión de la Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Depar tamento de Potencia .- I- PRUEBAS ORDINARIAS 1.- Prueba dieléctrica en el aceite aislante 1.1 Objetivo: Verificar la bondad del dieléctrico, para someter a te_n sión al transformador. 1.2 Norma; • ".- A.S.T.M. (29 - D - 877) - Electrodos: Discos fi '!" - Separación: 0. 1" • - - - Régimen de elevación de voltaje: 3 KV/seg. hasta perfo .ración. - Número de pruebas por muestra: 6 -- Periodo de tiempo entre pruebas: 1 minuto - Criterio de bondad del dieléctrico: Se considera aceite en buen'estado si su voltaje de disrupción (promedio de las 5 últimas descargas), es mayor o igual a 26 KV" 1.3 Equipo: Probador de aceite según Norma A.S.T.>1. - Equipo elevador de tensión - Aparatos de medición 1.4 Tiempo total de prueba: Aproximadamente 30 minutos por muestra 2.- Relación de Transformación 2.1 Objeto: Verificar los datos de placa del transformador en relación al voltaje II - 2 2.2 Normas: CEI, 76, 12 Tabla XIV - Descripción: Aplicación, de voltaje a uno de los b.obinados del transformador y medición del voltaje inducido en el opuesto, en circuito abierto para c_a da "tap", a frecuencia nominal. - Tolerancia: En el "tap" principal la tolerancia es el menor de estos dos valores: ción indicada + 1/200 de la rel_a .por el fabricante, o el porcentaje - de la relación declarada igual a 1/10 del voltaje de corto-circuito actual a corriente nominal expre" ' sado en porcentaje. La tolerancia en los otros "taps" deben estar sujetos al arreglo entre fabricante y comprador. 2.3 Equipo: - Fuente de Tensión variable, 60 Hz - Aparatos de medición 2.4 Tiempo dé la prueba: Aproximadamente 45 minutos por transformador 3.- Prueba de circuito abierto 3.1 Objeto: Determinar .las pérdidas en el hierro, o pérdidas sia carga 3.2 Norma: CEI, 70, 12 . , - Descripción: • Con el primario en circuito abierto se alimenta por el secundario el voltaje nominal a 60.Hz y mediante un vatímetro de bajo factor de potencia se determinan las pérdidas. En transforma dores trifásicos las conexiones se las realizará de . acuerdo a las Normas dependiendo de la conexión de funcionamiento. - Tolerancia: bobinado En transformadores trifásicos con un - Delta conectado deberá asegurarse que el voltaje inducido no contenga 5ta. y 6ta. armónicas en cantidad superior a un 57o del voltaje eficaz - Para el cálculo de las pérdidas debe indicarse el núcleo está construido con hierro ..laminado si en frió o en caliente. 3.3 Equipo: . - Fuente de. Tensión variable, 60 Hz - Vatímetro de bajo factor de potencia - Aparatos de medición '3.4 Tiempo de prueba: Aproximadamente 30 minutos por transformador 4.- Prueba de Cortocircuito.- Determinación de la impedancia de cor- tocircuito 4-, 1 Objeto:. \I - 3 4.2 Norma: . . Determinación de las pérdidas en los devanados y ve- • rificación de la impedancia con la dada en la placa. ~}b CEI, 70 s 12 - Descripción: " Se alimenta al primario del transforma dor con voltaje variable de 60 Hz, hasta conseguir en el secundario, en cortocircuito, el 25% o el 10070 de la corriente nominal'. Se hace lecturas de poten- cia, voltaje y corriente. La medida será corregida por medio, del cuadrado de la relación de corriente entre la medida y la nominal, luego referida a la temperatura de Norma dada en la tabla XV ' ' . Las pérdidas serán medidas en los devanados con'ectados "- . en el "tap" principal-. - La resistencia de los devanados de transformadores sumergidos en aceite se lo mida cuando éstos han dejado de ser excitados por lo menos 3 horas antes de la medida. II - 4 - Tolerancia: Las pérdidas declaradas deben tener una tolerancia de + 1/7 con las reales, siempre que no excedan a las totales y éstas declaradas, por el fabricante deben tener una tolerancia de + l/l'O con las reales. 4.3 Equipo: Fuente de tensión variable de 60 Hz Aparatos de medición 4.4 Tiempo de prueba: Aproximadamente 30 minutos por trans-forraador 5. Prueba de relación de fase, polaridad y grupo, de conexión 5.1 Objeto: Verificar la conexión dada por la placa. 5.2 . Norma: CEI, 76, 12 . - Descripción: Mediante la adición a sustracción de voltaje inducidos se determina la polaridad de las bobinas, en caso de transformadores trifásicos por adición o sustracción directo se determina el voltaje y grupo de conexión. 5.3 Equipo.- Fuente de Tensión alterna de 60 Hz - Aparatos de medición 5*4 Tiempo de prueba: II.-. Pruebas Especiales '6.- 6.1 ~ * aproximadamente 30 minutos por transformador. - Prueba de Tensión aplicada Objeto: Comprobar si todos los puntos sometidos a Alta Tensión están aislados suficientemente del lado II - 5 de Baja Tensióa y del tanque. 6.2 Norma: CEI, 76, 7 y 12 - Descripción.- A cada bobina de Alta Tensión se le aplica el voltaje determinado por las tablas de la sección 7, de la Norma (Niveles de aislamiento). El lado de Baja- Tensión estará en corto-circuito con el tanque. El voltaje de aplicación debe ser sinusoidal a una frecuencia de por lo menos el 80% de la nominal. •Tiempo de aplicación: 6.3 Equitpo.- 1 minuto Puente de Alta Tensión variable de 60 Hz - Aparatos de medición 6.4 7 Tiempo de prueba: Aproximadamente 15 minutos por transformador Prueba de Tensión inducida .7.1 Objeto: Verificar el estado de aislamiento de los bobinados 7.2 Norma: CEI, 76, 12 y 7 - Descripción: -' ; . - Aplicación de voltaje según Norma - Sección 7 con las siguientes características: Completamente sinusoidal Frecuencia tal que la corriente de excitación no sea .excesiva. , El tiempo de aplicación es de 1 minuto para frecuencias menores que el doble de la nominal, o 120 veces la fre"- cuencia nominal dividida por la frecuencia de píueba, -o 15 segundos por lo menos. II - 6 7.3 Equipo.- Fuente de Tensión variable de 440 c/s Aparatos de medición 7.4 Tiempo de prueba: Aproximadamente 3 horas para el primer trans- formador, muy rápidamente para los siguientes (debido a instalaciones de equipo). 8.- Prueba de elevación de temperatura 8.1 Objeto: Comprobar si la elevación de temperatura ( ° C ) del aceite y de los devanados bajo carga, mediante el método de cortocircuito, están dentro de las Normas, 8.2 Norma: CEI, 76, 12 . . -Descripción: Al transformador, conectado como para la prueba de cortocircuito, se le alimenta con las pérdidas totales, tomándose lecturas de variaciónde temperatura en el aceite por medio de un termómetro y de los bobinados por el método de variación de la resistencia se tomarán lecturas hasta la estabilización. 8.3 Equipo: - Fuente de Tensión variable de 60 Mz - Aparatos de medición 8.4 Tiempo de prueba: Aproximadamente 12 horas por transformador 9.- Prueba de Impulso de onda completa 9.1 Objeto: Verificar el aislamiento del transformador a 'ondas 9.2 Norma: de 'choque. CEI, 76, 7 y 12 frente . II - 7 - Descripción: de 1.2/50 Aplicación de un voltaje de impulso us. cuyo valor de cresta viene determi- nado por las tablas de la sección 7 de la Norma. El voltaje será aplicado a cada terminal de linea. El control de la onda se lo realiza por medio de un osciloscopio de rayos catódicos, visualizando el comportamiento del transformador. 9.3 Equipo: - Generador de impulsos de 1.2/50 us. - Osciloscopio rayos catódicos -í Equipo fotográfico adaptable al osciloscopio - . 9.4 - Aparatos de medición Tiempo de prueba: Aproximadamente 12 "horas para el primer transfo_r mador, luego muy rápidamente par.a los siguientes (debido a -preparación y calibración del generador de impulsos. III - 1 APÉNDICE III - Planos de Diseño del 25 KVÁ - 7.620 PLANO a TM 25 - O PLANO -TM 25 - O Transformador Monofásico, Tipo Distribución 120 / 240 Voltios Conjunto del Transformador Conjunto del Transformador (Vista Superior) PLANO TM 25 - 1 Lámina N- 1 •Lámina N- la Tanque - Tapa - Escotilla y Accesorios del Tanque " .Lámina N £ 2 PLANO TM 25 - 2. Conjunto de Devanados Lámina N- 3 PLANO TM 25 - 3 Núcleo - Peines Bakelita - Lámina N- 4 .Soporte para manejo del Transformador PLANO TM 25 - 4 TM 25 - 5 . Aisladores de Alta y Baja - Elementos PLANO " Lámina N£ 5 de Sujeción - Empaques Cambiador de "taps" - Soportes de Lámina N- 6 Montaje t Ferreteria ó Sujeción del -Núcleo " ; -160INDICE DE REFERENCIAS Ref. N £ 1 Procedencia Página 16 , Corrales Martín J., Cálculo Industrial de Máquinas Eléctricas, Tomo I, Pag. 48, Tomo II 2 19 Pag. 450. 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